死宅更易变傻？Science研究：大脑缺氧竟是常态，但靠运动可改善

克雷西 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

Science上的一项最新研究发现，不爱运动，大脑会更加缺氧！

来自丹麦、瑞士和美国的研究人员，拍下了小鼠大脑中的氧气分布：

图中越亮的部分，代表氧气含量越高，反之则表示氧气较少，出人意料的是，缺氧才是大脑中的常态。

经过20分钟的连续观察，作者发现，即使在清醒状态下，大脑中也会自发产生一系列缺氧的区域，称之为“缺氧口袋”（hypoxic pockets）。

缺氧是常态，而大脑又是一个极其脆弱的器官，缺氧极有可能导致脑细胞不可逆的损伤。

这可咋办？

倒也不用太担心——作者发现，只要运动起来，这样的缺氧负担就能减少一半以上。

而对于这一发现背后的技术，论文通讯作者、罗切斯特大学神经科学家Maiken Nedergaard教授感到十分兴奋：

这项技术为研究阿尔兹海默症等与脑补缺氧相关的疾病，打开了新的大门，同时其与生活方式等因素之间的关系，也将有机会被揭开……

总之，为了你的头脑能一直保持清醒，还是得多多运动……（手动狗头）

运动改善脑部缺氧

我们的大脑，是耗氧量极大的器官，以仅约3%的重量消耗了近三成的氧气。

但它又十分脆弱，一旦氧气缺乏，脑细胞就会出现不可逆的损害，损害的具体途径包括但不限于以下几点：

• 氧化磷酸化无法进行，导致能量缺失和功能丧失
• 介导凋亡信号调节，释放特定蛋白酶使细胞进入不可逆的凋亡程序
• 引起自由基的增加，损伤细胞膜、蛋白质和DNA
• 细胞外兴奋性氨基酸大量释放堆积引起钙离子内流，使细胞内游离钙超载

而Science这项研究又表明，缺氧的现象在大脑中，是天然存在的。

具体来说，研究人员使用生物发光氧指示剂，对清醒小鼠的大脑皮层进行了氧成像。

他们观察到，在没有任何外部刺激的情况下，大脑皮层的氧合状态也并非恒定，而是动态变化的。

作者还发现了一些局部区域，这些区域的氧分压水平比周围组织低，即所谓的“缺氧口袋”。

在这些缺氧口袋中，氧气的分压只有11毫米汞柱（mmHg），远低于18mmHg的脑缺氧阈值。

而且缺氧口袋出现的频率还不低，仅仅20分钟就有200个左右，还经常重复出现在同一区域。

进一步地，研究人员对这些缺氧口袋的形成原因进行了探究，结果是与局部毛细血管流动的中断有关。

他们把直径4微米的微球注入小鼠的血液中，以模拟和研究毛细血管流动受阻的情况，它们会在大脑的微循环系统中引起局部的血流中断。

由于血液流动的中断，氧气无法有效地输送到受影响的脑区，导致这些区域的氧分压下降，形成了缺氧口袋。

实验观察到，微球注射后，缺氧口袋的数量虽然有所减少，但每个口袋的覆盖面积却增加了。这可能是因为微球阻塞了多个毛细血管，导致相邻的缺氧口袋合并成一个更大的区域。

此外，微球引起的血流中断还可能导致局部的血液重新分布，进一步影响周围区域的氧合状态。

而大量研究显示，脑血流量的减少与认知功能下降之间存在着紧密的联系——脑内毛细血管堵塞，升高了阿尔茨海默症等疾病的患病风险。

这可怎么办是好……作者很快想到，在静息状态下大脑会天然缺氧，那动起来会是什么样呢，并紧接着就进行了探究。

结果可以说是给人们吃上了一颗定心丸——改善这种缺氧口袋的方法十分简单，只要运动就可以了。

研究者们将小鼠分为三组，分别在KX麻醉状态下、清醒静止状态下和清醒运动状态下进行实验，分析了在不同状态下收集的数据，比较了缺氧口袋的数量、覆盖面积、持续时间和大小。

他们发现，在运动状态下的小鼠大脑皮层中，缺氧口袋的数量和影响范围显著减少，减少幅度约为52%。

看到这里，或许你有一个疑问——运动难道不会消耗更多氧气吗，怎么缺氧口袋反而变小变少了一大半呢？

前面说过，缺氧口袋的形成与血液循环有关，进一步研究表明，刚好与阻塞相反，血管扩张可以减少缺氧口袋的数量和覆盖面积。

作者通过给小鼠吸入二氧化碳的方式对其血管进行了扩张，结果发现在吸入开始后氧分压开始增加，缺氧口袋的数量和面积都出现了明显下降。

而运动也是可能导致大脑中血管扩张的一个重要原因，增加了血流量，改善了氧气的局部供应，从而减少了缺氧口袋的形成。

此外运动时心脏泵血也会增强，血液循环加快，从而提高了氧气和营养物质输送到大脑的效率。

看到这，你是不是觉得自己也该迈开腿、动起来了呢？（手动狗头+1）

荧光技术将揭开大脑更多秘密

对于这一结果的发现，研究中运用到的生物荧光技术功不可没。

具体来说，作者使用的是一种名为GeNL（Green enhanced Nano-lantern）的由基因编码的荧光氧指示剂。

它结合了荧光素酶的活性和荧光蛋白的特性，用于实时监测活体组织中的氧分压，克服了传统氧测量技术在空间和时间分辨率上的限制。

GeNL由荧光素酶NanoLuc和荧光蛋白mNeonGreen组成，前者可以催化底物furimazine（呋喃嗪）的氧化反应，反应过程中会产生光；后者则起到了荧光放大器的作用。

利用基因工程技术，研究者将GeNL导入到了小鼠的星状胶质细胞，并在小鼠头部创建了一个透明的颅窗，以便进行大脑皮层的实时成像。

研究者们使用专门的生物发光成像系统来检测和记录由GeNL产生的光信号。这个系统能够将光信号转换成图像，从而监测大脑皮层中的氧分压变化。

这篇论文中的所有发现，都是这样一套流程下的产物。

或许这项研究还需时日才能推广到人类，但适当地动一动，总归是没坏处的。

论文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn1011
参考链接：
https://healthsciences.ku.dk/newsfaculty-news/2024/03/new-imaging-method-illuminates-oxygens-journey-in-the-brain/