检测大脑耗氧量的新方法

人脑消耗大量能量，需要不间断的氧气供应来维持其活动。因此，大脑配备了一个脆弱的血管网络，可以将氧分子输送到脑细胞。大脑耗氧代谢率(CMRO 2)表示大脑在给定时间内消耗了多少能量，是大脑活动的关键指标。

CMRO 2的直接量化是神经学的一个重要目标，因为 CMRO 2是稳态条件下组织病理学的重要衡量标准，例如与癌症、创伤性脑损伤和中风相关的组织病理学。此外，它在神经元活动期间的动态测量可以揭示大脑功能反应背后的代谢过程。尽管目前的一些方法能够对 CMRO 2进行量化，但通常它们不提供有关代谢事件和血管反应的相对时间的信息。

为了在大脑活动期间更清楚地了解 CMRO 2，宾夕法尼亚大学的研究人员开发了一种新颖的光学技术。正如Neurophotonics杂志报道的那样，该技术使用一对大分子磷光探针，并在临床前动物模型中展示了对 CMRO 2和脑血流(CBF)的实时监测的应用。

“目前大多数用于动态跟踪 CMRO 2的方法都是基于血红蛋白氧饱和度和 CBF 的测量，因此 CMRO 2动力学与 CBF 的动力学有着内在的联系。我们想开发一种没有这种限制的方法，”教授解释道。该研究的首席研究员谢尔盖·A·维诺格拉多夫 (Sergei A. Vinogradov)。

该技术直接探测大脑的氧气梯度。氧气梯度取决于大脑血管内(血管内)和紧邻脑细胞(血管外)的氧气浓度之间的差异。当脑细胞的新陈代谢变得更加活跃时，它们会消耗更多的氧气，从而使这种梯度变得更陡峭。因此，此梯度包含有关消耗了多少氧气的信息，可用于确定 CMRO 2。

测量提供了一个独特的机会来比较四个参数 CBF、piO2、peO2 和 CMRO2 的响应，从而揭示其他方法无法获得的有关响应幅度和动态的重要生理信息。图片来源：神经光子学(2022)。DOI：10.1117/1.NPh.9.4.045006

关键的一步是找到一种方法来同时测量血管外和血管内氧气水平之间的差异。为此，研究人员将一种称为 Oxyphor PtR4 的磷光探针注入血液中，并将另一种探针 Oxyphor PtG4 直接注入血管之间的空间。

两个 Oxyphor 有不同的颜色，通过使用两个不同的激光器，团队可以同时测量探针的信号，时间分辨率约为 7 Hz。该技术被应用于临床前模型，他们展示了在大脑功能激活期间对 CMRO 2的实时计算和跟踪。使用第三种激光，研究人员还使用称为激光散斑对比成像的方法成功地同时测量了 CBF 和 CMRO 2 。

副主编 Andy Shih 教授是西雅图儿童研究所发育生物学和再生医学中心的首席研究员，他说：“在血管内外隔室中巧妙地开发和使用探针对，为测量大脑耗氧量打开了大门”

该研究的另一位通讯作者 Arjun Yodh 教授解释说：“我们的方案提供了一个机会，可以实时直接观察大脑新陈代谢的变化，并同时比较血管对新陈代谢反应的反应。随着技术的发展，我们预计该方法将更广泛地用于测试药物和其他脑代谢效应物，并且应该允许对代谢模型进行更严格的检查。”

事实上，这项研究首次证明了在大脑功能活跃时实时监测局部血流和组织氧梯度的能力。它通过揭示有关伴随神经元活动的生理过程的更多细节， 为大脑新陈代谢的动态测量开辟了新的可能性。