Человеческий мозг потребляет огромное количество энергии и нуждается в непрерывном снабжении кислородом для поддержания своей активности. Поэтому мозг оснащен сетью тонких кровеносных сосудов, которые транспортируют молекулы кислорода к клеткам мозга. Скорость церебрального метаболизма потребления кислорода (CMRO2), которая показывает, сколько энергии мозг потребляет в данный момент времени, является ключевым показателем активности мозга. Прямая количественная оценка CMRO2 является важной задачей в неврологии, поскольку CMRO2 является ценным показателем патологии тканей в стационарных состояниях, таких как состояния, связанные с раком, травматическим повреждением головного мозга и инсультом. Более того, его динамическое измерение во время активности нейронов может выявить метаболические процессы, лежащие в основе функциональных реакций мозга. Хотя некоторые современные методы позволяют количественно определить CMRO2, обычно они не предоставляют информации об относительном времени метаболических событий и сосудистых реакций.
Чтобы получить более четкое представление о CMRO2 во время активности мозга, исследователи из Пенсильванского университета разработали новую оптическую технику. Как сообщается в журнале SPIE Neurophotonics, в этом методе используется пара макромолекулярных фосфоресцентных зондов с продемонстрированным применением для мониторинга CMRO2 в реальном времени одновременно с мозговым кровотоком (CBF) в доклинической модели животных. «Большинство современных подходов к динамическому отслеживанию CMRO2 основаны на измерениях насыщения гемоглобина кислородом и CBF, так что динамика CMRO2 становится неотъемлемо привязанной к динамике CBF. Мы хотели разработать метод, свободный от этого ограничения», — объясняет профессор Сергей Виноградов, главный исследователь исследования.
Этот метод напрямую исследует кислородный градиент мозга. Кислородный градиент зависит от разницы между концентрациями кислорода внутри сосудов головного мозга (внутрисосудистый) и в непосредственной близости от клеток головного мозга (внесосудистый). Когда клетки мозга становятся более метаболически активными, они потребляют больше кислорода, что делает этот градиент более крутым. Таким образом, этот градиент несет информацию о том, сколько кислорода потребляется, и может использоваться для определения CMRO2.
Ключевым шагом было найти способ одновременного измерения разницы между внесосудистым и внутрисосудистым уровнями кислорода. Для этого исследователи вводили в кровь один фосфоресцирующий зонд, названный Oxyphor PtR4, а другой зонд, Oxyphor PtG4, вводили непосредственно в пространство между кровеносными сосудами. Два Oxyphors имеют разные цвета, и, используя два разных лазера, команда могла одновременно измерять сигналы зондов с временным разрешением ~ 7 Гц. Этот метод был применен к доклинической модели, и они продемонстрировали вычисление и отслеживание CMRO2 в реальном времени во время функциональной активации мозга. Используя третий лазер, исследователям также удалось измерить CBF параллельно с CMRO2, используя метод, называемый лазерной спекл-контрастной визуализацией.
Заместитель главного редактора профессор Энди Ши, главный исследователь Центра биологии развития и регенеративной медицины Детского научно-исследовательского института Сиэтла, сказал: «Умная разработка и использование пар датчиков во внутри- и внесосудистых отделах открывает двери для измерения потребления кислорода мозгом. ».
Профессор Арджун Йод, другой автор исследования, объяснил: «Наша схема дает возможность напрямую наблюдать за изменениями метаболизма мозга в режиме реального времени и одновременно сравнивать сосудистые реакции с реакциями метаболизма. По мере развития технологий мы ожидаем, что этот метод станет более доступным для тестирования лекарств и других эффекторов метаболизма мозга, и он должен позволить более тщательно исследовать модели метаболизма».
Действительно, это исследование впервые продемонстрировало возможность мониторинга локального кровотока и градиента кислорода в тканях в режиме реального времени, когда мозг функционально активен. Он открывает новые возможности для динамического измерения метаболизма мозга, раскрывая дополнительные детали, касающиеся физиологических процессов, сопровождающих активность нейронов.
Ссылка: Chong SH, Ong Y, Khatib ME, et al. Отслеживание в реальном времени градиентов кислорода в мозге и кровотока во время функциональной активации. НФ. 2022;9(4):045006. doi: 10.1117/1.NPh.9.4.045006
0
0