奚望/Anna Wang Roe课题组发文揭示大脑皮层微血管在局部血流调控和神经退行性改变中的重要作用

2023年5月3日，浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所奚望副研究员，Anna Wang Roe教授团队在《Cell Reports》在线发表题为“Single-microvessel occlusion produces lamina-specific microvascular flow vasodynamics and signs of neurodegenerative change”的研究论文。该研究提出利用PLP血栓方法构建精准可控的微缺血模型，揭示了毛细血管血栓情况下的微血管网络的血流特征以及血管和神经元的精密联系，进一步拓展了对大脑皮层微血管在潜在的生理或病理的脑血流调控和神经退行性改变中的重要作用机制的了解。

大脑的正常功能与稳态维持依赖于复杂且高度互连的脑血管网络内血流的持续和正确输送。而血流的非正常扰动会影响大脑功能的维持，可导致神经元应激级联反应、炎症和细胞损伤，与微梗死和神经退行性疾病紧密相关。尽管已进行大量相关研究，但对微血管层面的微小病变及其对邻近组织的血液动力学和神经活动的影响还知之甚少。

研究团队通过前期工作建立了结合1070 nm激光与螺旋式扫描方法为核心的精准光血栓方法（precision ultrafast laser-induced photothrombosis，PLP），激发形成了高效，安全且具有高度空间精准度的玫瑰红光活化诱导的光血栓。基于PLP方法，实现了在活体动物脑皮层内任意深度（0-815 μm）的各种尺寸血管的精确可控的血栓，为研究脑血管疾病和缺血性中风提供了一种实用和准确的血栓模型。

PLP 方法诱导的光血栓形成的示意图

为了进一步研究微血管缺血是如何影响皮层血流以及功能变化，我们利用PLP方法构建了不同程度的局部微缺血模型，以期望揭示血管功能障碍下的血流重塑和功能变化机制，并推动神经血管耦合的精确时空关系以及缺血性中风发生和治疗机制的研究。通过单根毛细血管血栓的构建，量化研究了局部血管网络内血流动力学和拓扑结构的急性改变，揭示了局部血管网络的血流急性分配机制。血栓的毛细血管可能导致局部血流阻力逐渐恶化，从而限制下游缺血区域内的血液微循环。血管网络应对这种血栓性改变和可能的缺血性风险则是依赖于通过上游血管的血流重新分配，上游旁支血管的血流增加，以及下游新血流灌注通路的形成，从而挽救缺血区域以保证组织的正常需求。

单根毛细血管血栓后局部血管网络的血流动力学变化

随后进行了血栓后的持续追踪观察，探索了毛细血管血栓后的病理学改变以及长期的恢复机制和可塑性变化。结果表明血脑屏障的损伤渗漏是毛细血管在血栓后发生时间相对较晚的事件，并且大多在血栓位置的下游血管中观测到。因此在体内观察到的毛细血管血脑屏障损伤造成的功能障碍可能预示着上游血管的功能异常，并且可能导致梗塞的扩大，可能会加剧小血管疾病和神经退行性改变疾病的发生。同时，大多数毛细血管在 48-72 小时内恢复血流，表明大脑存在一种有效的策略可以在血栓后几天内进行毛细血管级别的血流重塑，并伴有血管形态的改变，这可能涉及到脑组织自身的稳态维持和修复机制。

为了探究局灶性的缺血和神经退行性改变的关联，本研究还通过构建精准可控的局部微缺血模型。结果表明完整的毛细血管血流灌注对于神经元的正常结构和功能的维持是至关重要的。单根毛细血管引起的灌注不足对神经元的影响是有限的，但邻近的数根毛细血管的血流完全阻断会导致更严重的缺血，可能在在数小时内对缺血核心内的神经元造成持续的破坏性打击，远端树突最先发生病理性改变，最终造成神经元功能损伤和退行性改变。

局灶性缺血诱发了缺血核心内的神经元的损伤以及退行性改变

此外，本研究还通过对不同脑皮层的特定毛细血管前小动脉的血栓构建，揭示了层级间血流的分配差异性，展现了层级特异的血流代偿和灌注通路。结果表明在毛细血管前小动脉栓塞造成缺血事件期间，Layer 2/3 具有相对薄弱的血流调节机制，毛细血管的拓扑网络和血流动力学机制不足以在此层面形成完善的血流代偿，而 Layer 4 具有更强大的血流代偿，在血栓后能立即形成新的血流通路，形成新的血流分配。

位于两个不同皮层的毛细血管前小动脉血栓引发了层级差异性的血流分配

综上所述，本研究补充了过去专注于大面积缺血性和出血性破坏的工作。通过微缺血模型的构建，揭示了微血管网络的新的血流特征以及血管和神经元的精密联系。了解潜在的生理或病理的脑血流灌注系统及其机制，特别是微小血管病变的急性生长演化过程，对于解析健康和疾病中的大脑功能及神经血管耦合机制，神经可塑性改变的潜在机制至关重要，也是开发缺血性中风及其关联的神经退行性疾病后出现的血流控制缺陷的治疗方式的先决条件。

微血管血栓诱发局部血流调控变化

以及和相关联的神经退行性改变

1. 单根毛细血管血栓导致快速的局部血流自动调节；

2. 局灶性毛细血管血栓引起神经元退行性改变；

3. 微血管血栓产生层级特异性的血流动力学改变。

浙江大学奚望副教授和Anna Wang Roe教授为本文的共同通讯作者，浙江大学生仪学院博士生朱亮为本文第一作者。该研究获得了科技部科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目，国家自然科学基金，浙江省领雁计划，浙江省自然科学基金，中央高校基本科研基金等基金资助，以及浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心、浙江大学生物医学工程教育部重点实验室等大力支持。

来源 | 科研办

原标题：《Cell Reports｜奚望/Anna Wang Roe课题组发文揭示大脑皮层微血管在局部血流调控和神经退行性改变中的重要作用》

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