意识在脑血流停止的几秒钟内消失。大脑不能储存氧气，氧化磷酸化的中断在几分钟内是致命的。然而，关于生理条件下皮质部分氧张力(Po2)动力学的知识还只是初步的。
2024年3月28日，哥本哈根大学Maiken Nedergaard及Felix R. M. Beinlich共同通讯在Science 在线发表题为”Oxygen imaging of hypoxic pockets in the mouse cerebral cortex“的研究论文，该研究介绍了绿色增强纳米灯(GeNL)，一种用于Po2 成像的基因编码生物发光氧指示剂。
在清醒行为的小鼠中，该研究发现了自发的、空间定义的“缺氧口袋”的存在，并证明了它们与局部毛细血管流动的消失有关。与休息相比，运动使缺氧口袋的负担减轻了52%（跑步等体育活动可以减少缺氧区的发生）。该研究提供了对清醒行为动物皮质氧动力学的深入了解，同时建立了一种工具来描述氧张力在生理过程和神经系统疾病中的重要性。研究人员预测，不运动对组织Po2 有直接影响，有利于毛细血管闭塞和增加缺氧袋的数量。相反，仅仅增加感觉输入或运动就能迅速抑制缺氧口袋的发生，这可能解释了久坐生活方式与痴呆风险增加之间的联系。
人脑在休息时消耗全身总耗氧量的20%。氧气的输送和需求是如此微妙的平衡，维持组织氧合可能是所有大脑功能中最关键的。然而，我们对生理条件下脑组织氧张力(Po2)动态的理解仍然有限，主要是因为缺乏空间精确的Po2成像测量技术。目前，组织Po2可以通过磷光和clark型电极来测量。这两种方法都不能提供足够高的时空灵敏度来检测皮质Po2的生理变化。
GeNL的生物发光强度反映大脑的氧分压（图源自Science ）
研究人员开发了一种方法，通过在星形胶质细胞中表达的酶引导下的发光底物的氧依赖反应，来测量Po2的相对变化。该方法由于其生物发光起源和时空分辨率，具有优越的信噪比，可以可视化清醒行为小鼠皮质Po2的动态。绿色增强纳米灯(Green enhanced Nano-lantern, GeNL)是一种由荧光素酶NanoLuc和荧光蛋白mNeongreen组成的发光融合蛋白。
在其发光底物furimazine转化为furimamide的酶促过程中，能量以光的形式发射。荧光融合蛋白作为荧光放大器，通过Förster共振能量转移(FRET)提高量子产率。GeNL与呋喃嘧啶的酶促反应依赖于O2，当O2是酶促反应的限速因子时，生物发光信号的强度与O2的可用性呈线性相关。
本研究表明，通过基因编码的生物发光氧指示物，可以在清醒行为小鼠的宽皮质区域连续监测Po2的相对变化。通过监测星形胶质细胞中表达的GeNL的生物发光信号，该研究发现皮层Po2在生理条件下不断波动，产生空间和时间上限定的缺氧口袋。增加或阻断毛细血管流动的操作表明，局部微循环中断是缺氧口袋发生的原因。对局部血红蛋白浓度的监测发现了短暂的局部血红蛋白降低，这与缺氧口袋具有共同的特征和抵消动力学，从而为验证生理条件下空间受限的Po2波动的发生提供了另一种方法。
觉醒水平的提高抑制了组织缺氧（图源自Science ）
毛细血管血流是为大脑提供氧气和葡萄糖的必要条件，以支持与正常脑功能相关的高代谢需求。大量研究表明，脑血流量减少与认知能力下降之间存在联系，包括微血管结构和血流的变化。最近，在单毛细血管水平上，中性粒细胞粘附引起的短暂性血流中断被确定为导致脑血流变化导致神经功能缺陷的潜在机制。在阿尔茨海默病模型中观察到毛细血管迟滞增加，提出了关于毛细血管迟滞的长期影响及其在长期神经元活力中的潜在作用的问题。
缺氧诱导的缺氧诱导因子1a (HIF1a)表达的增加通过破坏突触生理和空间记忆而损害可塑性。研究人员预测，不运动对组织Po2有直接影响，有利于毛细血管闭塞和增加缺氧袋的数量。相反，仅仅增加感觉输入或运动就能迅速抑制缺氧口袋的发生，这可能解释了久坐生活方式与痴呆风险增加之间的联系。
（来源：iNature）
原文出处：Beinlich FRM, Asiminas A, Untiet V, Bojarowska Z, Plá V, Sigurdsson B, Timmel V, Gehrig L, Graber MH, Hirase H, Nedergaard M. Oxygen imaging of hypoxic pockets in the mouse cerebral cortex. Science. 2024 Mar 29;383(6690):1471-1478. doi: 10.1126/science.adn1011. Epub 2024 Mar 28. PMID: 38547288.
