《Science | 小鼠大脑皮层缺氧袋的氧气成像》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-04-03
  • 2024年3月28日,哥本哈根大学的研究人员在Science上发表了题为Oxygen imaging of hypoxic pockets in the mouse cerebral cortex的文章。

    脑血流停止后,意识会在几秒钟内丧失。大脑无法储存氧气,氧化磷酸化过程的中断会在几分钟内致命。然而,人们对生理条件下大脑皮层部分氧张力(Po2)的动态了解甚少。

    该研究引入了绿色增强型纳米灯笼(GeNL),这是一种用于Po2成像的基因编码生物发光氧指示剂。在清醒的行为小鼠中,研究人员发现了自发的、空间上确定的 "缺氧口袋",并证明了它们与局部毛细血管流量减弱之间的联系。与静止状态相比,运动使缺氧袋的负担减少了 52%。

    这项研究深入揭示了清醒动物大脑皮层的氧动态,同时还建立了一种工具,用于描述氧张力在生理过程和神经系统疾病中的重要性。

相关报告
  • 《Nature | 皮层调节对疼痛中的人的帮助行为》

    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-01-29
    • 2024年1月24日,加州大学洛杉矶分校(UCLA)洪暐哲团队在Nature 期刊发表了题为Cortical regulation of helping behaviour towards others in pain 的研究论文。 尽管先前的研究表明,人类和动物能够感知其他个体的状态和需求,但个体如何针对他人的特定需求和目标作出有针对性的帮助行为,以及其背后的神经机制仍然不清楚。虽然这些帮助行为需要个体能够识别他人的状态和需求,但是如果旁观者仅仅理解他人的需要而不采取行动来提供帮助,这对那些有需要的个体来说价值有限。帮助行为是如何发生的?它在神经网络中是如何被编码和调控的?这些行为过程的神经生物学机制并不清楚。 该研究使用小鼠作为模式生物,对动物间的帮助行为进行了深入的研究,并揭示了大脑中编码和控制这种行为的重要神经生物学机制。 研究团队在之前的研究中发现,小鼠能够表现出亲社会的安慰行为(allogrooming behavior)以向经历了负面刺激而处于焦虑状态的同伴提供情感上的支持。在这一发现的基础上,研究团队进一步发现,小鼠对处于疼痛中的同伴能够表现出有针对性的帮助行为——小鼠会有针对性地舔舐同伴的受伤部位,以帮助他们应对疼痛。这种帮助行为被作者称为targeted allolicking。它由其他小鼠的局部疼痛和伤害引起,并且能够减少受伤个体自己舔舐自己伤口的需求。这种帮助行为在动物界广泛存在。作者们的研究提供了确凿证据,表明小鼠能够感知处于疼痛中的个体的特定需求,并通过targeted allolicking帮助其他小鼠应对疼痛。这为研究这种行为的神经生物学机制奠定了基础。 利用这一行为模型,研究团队深入研究了大脑皮层区域Anterior Cingulate Cortex (ACC)在编码其他个体的疼痛状态,以及调节这种帮助行为方面的作用。作者们发现,ACC中的单个神经元和整体的神经活动能够编码其他个体的疼痛状态,并且与对其他个体正常状态的神经反应有显著不同。此外,ACC中存在不同的神经元参与编码两种不同形式的亲社会行为——针对其他个体局部疼痛的目标性帮助行为(targeted allolicking)和对其他个体的安慰行为(allogrooming)。这些发现为ACC如何感知其他个体不同形式的负面状态,并根据不同情境调控不同的亲社会行为提供了新的见解。有趣的是,与这项研究的发现类似,过去的研究使用脑电图发现人类幼儿表现出的安慰和助人行为也与不同的神经活动模式相关。 最后,研究团队通过光遗传学和化学遗传学提供了功能上的证据,证明了ACC神经元在控制这种帮助行为中的因果关系。该研究发现,抑制ACC的神经元会导致allolicking减少,而激活ACC可以增强针对受伤部位的allolicking行为。 目前人们对于帮助行为的神经编码和调节这一有趣的问题还知之甚少,因此这项发现具有重要的意义。这些发现对动物感知其他个体的特定状态和需求并表现出亲社会行为的神经机制提供了关键见解,并为亲社会行为的神经机制研究开辟了新的研究方向。
  • 《Cell | 胶质母细胞瘤中缺氧梯度驱动的五层精细结构》

    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-04-24
    • 2024年4月22日,魏茨曼科学研究所Itay Tirosh、麻省总医院Mario L. Suvà共同通讯在Cell发表题为Integrative spatial analysis reveals a multi-layered organization of glioblastoma的文章,将空间转录组学和蛋白质组学技术与计算方法相结合,剖析GBM肿瘤中细胞状态的复杂组织。 该研究发现揭示了GBM中一个引人注目的多层结构,超越了通过经典组织病理学观察到的组织。该组织的核心是缺氧区域的存在,而缺氧区域是协调各种癌症细胞状态的空间分布的驱动力。作者确定了14个不同的元程序(metaprogram, MP),代表了多个GBM样本中基因表达的重复模式。这些MP与先前定义的单细胞状态非常相似,包括间充质、神经祖细胞样、少突胶质细胞祖细胞样和星形胶质细胞样状态,以及非恶性细胞类型,如巨噬细胞、少突神经细胞和神经元。 值得注意的是,作者在GBM肿瘤中发现了两个不同的空间域:以细胞状态的高度空间一致性为特征的结构化区域和缺乏这种一致性的无序区域。引人注目的是,缺氧癌细胞(MES-Hyp)的存在不仅与缺氧状态本身的组织增加有关,还与附近所有其他癌细胞状态的结构化增加也有关。缺氧对空间组织的这种长期影响远远超出了组织病理学可见的坏死区域。通过对多个尺度上细胞状态之间的空间关联进行综合分析,作者确定了在样本之间是一致的一系列成对相互作用,并通过互补的空间蛋白质组学数据进行了验证。这些相互作用揭示了结构化区域中引人注目的五层组织,每一层都代表着与缺氧梯度相关的不同微环境背景。 最内层(L1)由以MES Hyp状态为主的核心缺氧/坏死区组成。周围是缺氧相关状态的第二层(L2),包括间充质样、星形胶质细胞样间充质和炎性巨噬细胞。第三层(L3)包括血管生成反应和免疫中枢,以血管细胞、巨噬细胞和增殖/代谢状态为特征。向外移动,第四层(L4)包含恶性神经发育状态细胞(神经祖细胞样、少突胶质细胞祖细胞样和星形胶质细胞样),其可能更依赖氧气。最后,最外层(L5)代表浸润的脑实质,包括非恶性细胞类型,如反应性星形胶质细胞、少突胶质细胞和神经元。这种多层组织为理解GBM的空间异质性提供了一个概念框架,并强调了缺氧作为长期组织调控者的关键作用。值得注意的是,作者证明了这种组织超越了经典的组织病理学特征,增加了一层以前未被识别的缺氧相关状态。 虽然缺氧是空间组织的核心驱动因素,但作者还确定了细胞状态之间的特定相互作用,这些相互作用可能反映了发育线索或功能依赖性。例如,神经发育的恶性状态与其非恶性对应物(例如,神经元的神经祖细胞样)相结合,这表明潜在的对正常发育过程的模仿。此外,在不同的间充质状态下观察到不同的免疫细胞关联,暗示了不同程度的免疫激活或抑制。 总之,此研究对GBM的空间组织进行了全面和定量的表征,揭示了缺氧梯度驱动的多层结构。通过将空间转录组学和蛋白质组学数据与计算方法相结合,作者发现了一种以前未被重视的组织水平,这可能对我们理解GBM的肿瘤异质性、治疗耐药性和潜在脆弱性具有深远意义。