人類大腦，是個復雜又脆弱的器官。

它僅占體重的2-3%，卻有著相當大的氧氣需求量，約占全身耗氧量的20-30%。但大腦無法儲存氧氣，是個非常害怕缺氧的器官，因此需要血液源源不斷地向腦組織進行輸送。

之所以說大腦“脆弱”，是因為當腦血流停止后，缺氧會導致氧化磷酸化反應的中斷，使得神經元喪失活性，最終引發不可逆的神經損傷甚至腦死亡。而作為人體的“最高指揮官”，腦死亡就等于宣判一個人的死亡。

大腦的“復雜”程度非常高，甚至科學家對大腦的探索都十分有限。在生理條件下，氧氣究竟是如何在大腦內動態變化的呢？

近日，來自哥本哈根大學轉化神經醫學中心的研究團隊開發了一款可視化工具，能夠捕捉到生理條件下大腦皮層部分氧張力（Po2）的動態變化過程，即研究者利用全新成像技術清晰地記錄了小鼠清醒狀態下大腦的供氧情況。該研究發表在Science上。

原來，缺氧狀態才是大腦的“常態”！在清醒狀態下，小鼠腦中竟會自發產生短暫且局限的缺氧區域（又稱“缺氧口袋”），不僅每次的持續時間從幾秒到幾分鐘不等，還有著較高的出現頻率。但不用擔心的是，跑步等體育活動能使這種負擔減輕52%，這也解釋了為什么生活方式能影響神經系統疾病。

DOI: 10.1126/science.adn1011

要知道，對大腦做氧成像，難度系數很高。長時間以來技術上存在gap，無法對Po2進行高精度成像。

而本次Science上刊登的研究方法，可謂是極具“開創性”——為得到精準的大腦內氧氣變化情況，研究者利用星形膠質細胞中表達酶與發光底物進行反應，融合而成“會發光”的綠色增強納米燈籠（GeNL），從而觀測Po2的相對變化。

這種方法具有優異的信噪比和高時空分辨率，可以清楚地觀察到清醒狀態下小鼠腦皮層的Po2動態變化。

GeNL的生物發光強度報告了腦氧分壓

研究者觀察連續的生物發光成像后發現，靜息狀態下，Po2具有高度動態性，經常出現局部、瞬時驟升和驟降的氧張力，持續時間從幾秒到幾分鐘不等。

從圖像上來看，Po2的負相對振幅和特征性的清晰邊界形似“口袋”，因此被研究者親切地稱為“缺氧口袋”。事實上，“缺氧口袋”中的Po2僅為11mmHg，遠低于大腦皮層的缺氧閾值（≤18mmHg）。

令人訝異的是，這些“缺氧口袋”出現的頻率還真不低。短短的20分鐘內，受麻醉的小鼠腦內共檢測到200±22個“缺氧口袋”。

在以1Hz頻率記錄的單幀圖像中，每平方毫米可以觀察到8.12±0.04個“缺氧口袋”，覆蓋面積達到了觀察視野的2.43%，持續時間為48.2±1.0秒。這些“缺氧口袋”幾乎呈圓形，平均直徑為45.29μm。

此外，“缺氧口袋”還有一大特點：常重復出現在同一區域。在劃定的區域內，每分鐘會出現0.15個“缺氧口袋”，這意味著大約每隔7分鐘，同一位置就會出現一次“缺氧口袋”。

“缺氧口袋”的特征

相信讀者一定有這樣的困惑：“缺氧口袋”究竟是如何形成的呢？

研究者觀察到，“缺氧口袋”距小靜脈的平均距離為28.1±0.7μm，而距小動脈48.0±1.2μm，即“缺氧口袋”更常出現在小靜脈附近。同時，“缺氧口袋”與局部血紅蛋白濃度變化有著很強的相關性。

因此，研究者推測，大腦中毛細血管的微循環受阻是導致“缺氧口袋”出現的“罪魁禍首”——當白細胞短暫地“堵住”細小的毛細血管時，紅細胞無法順利通過，導致氧氣無法運輸到腦組織，進而使得局部腦組織進入了缺氧狀態。

事實上，為維持大腦的正常功能，毛細血管血流發揮著不可或缺的作用。大量研究顯示，腦血流量的減少（包括微血管結構和血流的變化）與認知功能下降之間存在著緊密的聯系——隨著年齡的增長，腦內毛細血管堵塞的概率也大大增加，進而升高了阿爾茨海默癥等疾病的患病風險。

毛細血管受阻與“缺氧口袋”之間的關系

既然大腦內“缺氧口袋”不可避免，難道我們只能坐以待“呆”了嘛？

并非如此！研究者還真找到了一個簡單又有效的方法——沒錯，就是運動！具體來說，與習慣“久坐”的相比，積極參與跑步的清醒小鼠的“缺氧口袋”數量減少了33%，持續時間減少了7秒，空間覆蓋率減少了26%。

也就是說，僅是跑步這樣簡單的運動方式，就使得小鼠的缺氧負擔減輕了52%，效果是相當好的。

研究者表示，在主動跑步的情況下，功能性充血能夠迅速抑制“缺氧口袋”的發生。這也解釋了為什么久坐的生活方式會導致癡呆發生風險的增加。

不同狀態下的“缺氧口袋”

Maiken Nedergaard教授表示，借助這個新開發的工具，“能夠研究阿爾茨海默病、血管性癡呆等一系列與大腦缺氧相關的疾病。此外，還可以探究久坐/運動等生活方式、衰老、高血壓以及其他因素是如何導致這些疾病的。”

綜上所述，即使是在日常清醒狀態下，大腦也存在自發和間歇的缺氧區域，且有著較高的發生頻率。不過，運動可以大大改善這種缺氧負擔，使其減少52%！

難怪有時候運動之后，覺得自己的腦子更靈了。寫完這篇文章，小編現在、立刻、馬上就要站起來活動活動了，讓大腦“吸吸氧”。

參考資料：DOI:10.1126/science.adn1011

撰文 | Swagpp

編輯 | Swagpp

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