人類大腦消耗了大量的能量，這些能量幾乎完全來自一種需要氧氣的新陳代謝形式。因此，有效和及時地分配和輸送氧氣對健康的大腦功能至關重要，然而，這一過程的確切機制在很大程度上對科學家來說仍然是未知的。

發表在《科學》(Science)雜誌上的一項新的生物發光成像技術，創造了非常詳細、視覺上引人注目的小鼠大腦中氧氣運動的圖像。

這種方法很容易被其他實驗室複製，它將使研究人員能夠更精確地研究缺氧的形式，例如中風或心臟病發作時大腦部分缺氧。這項研究已經深入了解了為什麼久坐不動的生活方式會增加阿茲海默症等疾病的風險。

「這項研究表明，我們可以連續監測大腦大範圍內氧濃度的變化，」羅徹斯特大學和哥本哈根大學轉化神經醫學中心的聯合主任Maiken Nedergaard說。

Maiken Nedergaard說：「這為我們提供了一個更詳細的圖像，即時了解大腦中發生了什麼，使我們能夠識別以前未被發現的暫時缺氧區域，這反映了血液流動的變化，可能引發神經功能障礙。”

螢火蟲與偶然的科學

這種新方法使用了發光蛋白，這是在螢火蟲中發現的生物發光蛋白的化學表親。這些已被用於癌症研究的蛋白質，利用一種病毒向細胞傳遞指令，以酶的形式產生發光蛋白質。當這種酵素遇到它的底物furimazine時，化學反應就會產生光。

像許多重要的科學發現一樣，利用這個過程來成像大腦中的氧氣是偶然發現的。哥本哈根大學轉化神經科學中心的助理教授Felix Beinlich最初打算用發光蛋白來測量大腦中的鈣活性。很明顯，蛋白質生產過程中出現了錯誤，導致了長達數月的研究延遲。

當Felix Beinlich等待製造商的新一批產品時，他決定繼續進行實驗，以測試和優化監測系統。這種病毒被用來向星形膠質細胞傳遞產生酶的指令，星形膠質細胞是大腦中普遍存在的支持細胞，維持神經元的健康和信號功能，這種底物被直接注射到大腦中。

這些記錄揭示了生物發光強度波動的活動，研究人員懷疑這反映了氧氣的存在和濃度，後來證實了這一點。 Felix Beinlich說:“在這種情況下，化學反應依賴於氧氣，所以當有酶、底物和氧氣時，系統就開始發光。”

雖然現有的氧氣監測技術只能提供大腦一小塊區域的信息，但研究人員可以即時觀察到小鼠的整個大腦皮層。生物發光的強度與氧氣的濃度相對應，研究人員透過改變動物呼吸的空氣中的氧氣量來證明這一點。

光強度的變化也與感覺處理相對應。例如，當一股空氣刺激老鼠的鬍鬚時，研究人員可以看到大腦相應的感覺區域亮了起來。

「缺氧口袋」可能預示著老年癡呆症的風險

大腦在沒有氧氣的情況下無法存活很長時間，中風或心臟病發作後迅速造成的神經損傷證明了這一點。但是，當大腦的一小部分短暫缺氧時會發生什麼事呢?

直到Nedergaard實驗室的研究團隊開始仔細研究新的錄音，這個問題才被研究人員提出。在監測小鼠的過程中，研究人員觀察到，大腦的特定微小區域會間歇性地變暗，有時會持續幾秒鐘，這意味著氧氣供應被切斷。

氧氣透過一個由動脈和微血管組成的巨大網絡在大腦中循環，毛細血管滲透到腦組織中。 ??透過一系列實驗，研究人員能夠確定氧氣被拒絕是由於毛細血管阻塞，當白血球暫時阻塞微血管並阻止攜帶氧氣的紅血球通過時，就會發生這種情況。

研究人員將這些區域命名為“缺氧口袋”，與小鼠活動時相比，它們在靜止狀態下的大腦中更為普遍。毛細血管停滯被認為隨著年齡的增長而增加，並在阿茲海默症模型中觀察到。

Maiken Nedergaard說:「我們可以研究一系列與大腦缺氧相關的疾病，包括阿茲海默症、血管性失智症和長期COVID，以及久坐不動的生活方式、老化、高血壓和其他因素如何導致這些疾病。”

“它還提供了一種工具來測試不同的藥物和運動類型，這些藥物和運動可以改善血管健康，減緩癡呆症的發展。”