Relationship between oxygen consumption and neuronal activity in a defined neural circuit

在定義的神經回路中耗氧量和神經元活動之間的關系

來源：?zugur et al. BMC Biology (2020) 18:76

 

1. 摘要核心內容

 

論文摘要指出：神經元活動（如動作電位、突觸傳遞）和細胞穩態是能量密集型過程，主要依賴線粒體氧化磷酸化（需氧代謝）。研究使用非洲爪蟾蝌蚪離體制備，在類體內條件下定量分析特定神經回路（滑車神經支配的上斜肌運動系統）活動與腦部氧消耗（O?）的關聯。核心發現：

 

在空氣飽和浴液中，第四腦室及鄰近腦組織O?濃度接近零，表明高效氧利用（圖1）；

 

麻醉劑MS-222阻斷神經放電后，O?消耗降低~50%（圖3），證實神經元活動是主要耗氧源；

 

自發神經簇放電（burst）引發瞬態O?消耗增加，幅度與浴液氧濃度正相關（圖4-5）。

 

 

 

2. 研究目的

 

解決技術挑戰：

 

1.體內O?監測難：活體腦部O?測量受限于侵入性、生理參數控制難；

2.定量關聯缺失：神經元活動模式（如簇放電）與O?消耗的定量關系缺乏實驗證據；

3.模型優化：為神經計算能量模型（如動作電位能耗理論）提供實證基礎。

 

3. 研究思路

 

采用離體蝌蚪頭制備（保留完整感覺-運動通路）：

 

1.O?監測：丹麥Unisense微電極（100μm/10μm尖端）測量第四腦室及腦組織O?濃度（圖1a-b）；

2.神經活動記錄：細胞外電極記錄滑車神經自發放電（運動神經元活動代理）；

3.干預實驗：

 

改變浴液氧濃度（空氣飽和→高氧，圖2）；

 

麻醉劑MS-222阻斷動作電位（圖3）；

 

記錄自發神經簇放電的O?瞬變（圖4-5）；

4.定量分析：ImageJ/Spike2軟件關聯放電頻率、簇積分與O?消耗動態。

 

4. 測量數據及研究意義

（1）腦部O?梯度與代謝活性（來自圖1）

 

 

數據：

 

空氣飽和浴液（~290μmol/L）中，第四腦室O?≈0μmol/L（圖1b-c）；

 

氰化鉀（KCN）阻斷線粒體呼吸后，腦室O?升至浴液水平（圖1f-g）。

 

意義：證實腦組織高效耗氧，第四腦室O?可無創反映鄰近腦組織代謝狀態。

 

（2）氧飽和閾值（來自圖2）

 

 

數據：

 

浴液O?<700μmol/L時，腦室O?維持近零（斜率0.25）；

 

700μmol/L時，腦室O?與浴液呈線性正相關（斜率0.93）（圖2c）。

 

 

意義：揭示O?利用飽和點（~700μmol/L），超量O?不被代謝利用（圖2d-e）。

 

（3）神經元活動的耗氧比例（來自圖3）

 

 

數據：

 

0.5% MS-222阻斷神經放電后，腦室O?升至~150μmol/L（圖3b）；

 

計算O?消耗降低50%（對照消耗~600μmol/L）。

 

意義：量化動作電位維持占腦總耗氧50%，另一半源于膠質細胞/基礎代謝（圖3g）。

 

（4）簇放電的O?瞬變（來自圖4-5）

 

 

數據：

 

自發神經簇放電（10-60s）伴隨O?消耗瞬增（延遲~14s）；

 

高氧浴液下瞬變幅度更大（圖5d-e），但簇積分與O?水平無關（圖5d2）。

 

意義：首次量化神經簇放電的代謝成本，瞬變幅度依賴可用O?而非放電強度。

 

5. 結論

 

1.代謝效率：腦組織在空氣飽和浴液中O?≈0，體現高效氧利用（飽和閾值700μmol/L）；

2.能耗分配：神經元基礎放電占O?消耗50%，其余為膠質細胞/非信號活動；

3.動態關聯：神經簇放電觸發可量化O?瞬變（延遲14s），為神經計算能量模型提供參數；

4.模型價值：離體兩棲制備是研究代謝-神經活動耦合的理想平臺。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

（1）技術優勢

 

 

精準定位：10μm/100μm尖端實現腦室/腦組織微區O?監測（圖1a），避免組織損傷；

 

高分辨率：秒級響應捕獲MS-222阻斷（圖3a）和簇放電O?瞬變（圖4a2）；

 

定量校準：嚴格三點校準（0/空氣/高氧）保障μmol/L級精度（方法部分）。

 

（2）科學價值

 

 

梯度繪圖：深度剖面掃描（圖1b-d）揭示腦組織表面O?擴散邊界層；

 

動態驗證：同步神經記錄（圖3e）建立放電頻率-O?消耗線性回歸（R2=0.4-0.7）；

 

瞬變機制：捕獲簇放電后~14s延遲的O?瞬變（圖5c），提示代謝響應動力學。

 

（3）領域突破

 

相比傳統方法（如NADH熒光），Unisense電極：

 

 

實現無創、實時、空間分辨的O?監測；

 

為神經能量學提供首個類體內定量數據集；

 

奠定離體模型研究感覺-運動行為的代謝成本基礎（如未來視-前庭刺激實驗）。