GABAA Receptor-Mediated Bidirectional Control of Synaptic Activity, Intracellular Ca2+, Cerebral Blood Flow, and Oxygen Consumption in Mouse Somatosensory Cortex In Vivo

GABAA受體在活體小鼠軀體感覺皮層中對突觸活動、細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度、腦血流量及氧耗量的雙向調(diào)控作用

來源：Cerebral Cortex, Volume 25, Issue 9, September 2015, Pages 2594–2609

《大腦皮層》，第25卷第9期，2015年9月，第2594–2609頁

 

摘要

摘要指出神經(jīng)活動調(diào)節(jié)局部腦血流增加和氧代謝率上升，這些構(gòu)成BOLD功能成像信號的基礎(chǔ)。谷氨酸信號在腦血管和代謝控制中起關(guān)鍵作用，但GABA的調(diào)節(jié)作用不完全清楚。本研究通過體內(nèi)實驗調(diào)查THIP（持續(xù)性激活突觸外GABAA受體）和Zolpidem（突觸GABAA受體正變構(gòu)調(diào)節(jié)劑）對刺激誘導(dǎo)的腦血流變化、氧消耗變化、局部場電位和熒光胞質(zhì)Ca2+瞬變的影響。低濃度THIP在低刺激頻率下增加腦血流和氧消耗，這些反應(yīng)與突觸活動增加和神經(jīng)元/星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+活動升高相關(guān)；中高濃度THIP在高頻刺激下抑制反應(yīng)。Zolpidem有類似但較弱效果。表明輕微增加突觸和突觸外GABAA受體活動可能選擇性地門控和放大低頻體感輸入，過濾高頻輸入，并增強(qiáng)血管和代謝反應(yīng)。

 

研究目的

本研究旨在探究突觸和突觸外GABAA受體活動如何差異性地調(diào)節(jié)谷氨酸介導(dǎo)的神經(jīng)元活動引起的血管和代謝反應(yīng)，以闡明GABA在神經(jīng)血管耦合和代謝中的具體作用機(jī)制，為理解BOLD功能成像信號提供基礎(chǔ)。

 

研究思路

研究在體使用小鼠模型，通過顱窗手術(shù)暴露體感皮層，應(yīng)用觸須墊電刺激（0.5-5.0 Hz頻率）激活皮層。使用THIP和Zolpidem藥物干預(yù)，分別調(diào)節(jié)突觸外和突觸GABAA受體活性。同步測量局部場電位（LFP）、腦血流（CBF，用激光多普勒流量計）、組織氧分壓（tpO2，用Unisense Clark微電極）并計算氧消耗率（CMRO2），以及通過雙光子顯微鏡測量神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞胞內(nèi)Ca2+瞬變。分析藥物濃度和刺激頻率對響應(yīng)的影響，驗證GABA能調(diào)節(jié)的雙向性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 LFP振幅數(shù)據(jù)：THIP和Zolpidem在低濃度和低頻率下增加LFP負(fù)振幅，高濃度和高頻率下抑制。研究意義在于表明GABAA受體活動可雙向調(diào)節(jié)突觸興奮性，可能通過抑制中間神經(jīng)元實現(xiàn)去抑制。數(shù)據(jù)來自Figure 2A和2B。

 

2 腦血流變化（ΔCBF）數(shù)據(jù)：低濃度THIP（1μM）在0.5-1.0 Hz刺激下增加ΔCBF，高濃度（10-100μM）在2.0-5.0 Hz下抑制；Zolpidem類似但效應(yīng)弱。研究意義顯示GABA能信號可放大低頻輸入的血管反應(yīng)，抑制高頻輸入，可能優(yōu)化能量供應(yīng)。數(shù)據(jù)來自Figure 2C和2D。

3 氧消耗變化（ΔCMRO2）數(shù)據(jù)：THIP和Zolpidem在低濃度下增加ΔCMRO2于低頻刺激，高濃度下抑制于高頻刺激。研究意義表明GABA調(diào)節(jié)代謝與血管反應(yīng)耦合，反映神經(jīng)活動能量需求變化。數(shù)據(jù)來自Figure 2E和2F。

4 胞內(nèi)Ca2+瞬變數(shù)據(jù)：THIP濃度依賴性地抑制神經(jīng)元胞體、神經(jīng)氈和星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+響應(yīng)；Zolpidem低濃度增加神經(jīng)元胞體Ca2+，高濃度抑制。研究意義提示Ca2+信號介導(dǎo)GABA能調(diào)節(jié)的神經(jīng)血管耦合，突觸和突觸外受體作用不同。數(shù)據(jù)來自Figure 4和Figure 5。

 

 

5 神經(jīng)血管耦合相關(guān)性數(shù)據(jù)：ΔCBF和ΔCMRO2與總突觸活動（ΣLFP）在對照條件下線性相關(guān)，但THIP和Zolpidem濃度增加削弱這種相關(guān)性。研究意義表明GABA能活動可解耦突觸活動與血流/代謝響應(yīng)，影響B(tài)OLD信號解讀。數(shù)據(jù)來自Figure 3和Table 3、Table 4。

 

 

 

 

結(jié)論

1 GABAA受體活動對突觸活動、腦血流和氧消耗具有雙向調(diào)節(jié)作用：低濃度/低頻下增強(qiáng)響應(yīng)，高濃度/高頻下抑制。

2 突觸外（ tonic）GABA能抑制比突觸（ phasic）抑制對血管代謝反應(yīng)的影響更顯著。

3 GABA能信號通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+動態(tài)介導(dǎo)神經(jīng)血管耦合，可能涉及中間神經(jīng)元去抑制機(jī)制。

4 輕微增加GABA能張力可能放大低頻體感輸入的BOLD信號，而抑制高頻輸入，優(yōu)化腦功能成像解讀。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

研究中使用了丹麥Unisense公司的Clark型極化氧微電極（型號OX-10，尖端直徑10μm）測量局部組織氧分壓（tpO2）。電極在實驗前用氧飽和和無氧鹽水校準(zhǔn)，連接pico-安培計（PA 2000）記錄電流并轉(zhuǎn)換為氧分壓值，采樣率10 Hz。tpO2數(shù)據(jù)與同步測量的腦血流數(shù)據(jù)結(jié)合，通過Gjedde公式計算氧消耗率（CMRO2）。其研究意義在于：第一，提供了高空間分辨率（敏感區(qū)域約4189μm3）和時間分辨率的直接氧張力測量，避免了間接推算的誤差，能精準(zhǔn)捕捉刺激引起的代謝變化；第二，Unisense電極的高靈敏度（可檢測微小氧變化）和穩(wěn)定性使得在體連續(xù)監(jiān)測成為可能，驗證了神經(jīng)活動與氧消耗的實時耦合；第三，通過結(jié)合血流數(shù)據(jù)，計算CMRO2揭示了代謝效率的變化，表明GABA能調(diào)節(jié)如何影響能量平衡；第四，該方法為在體研究提供了可靠代謝指標(biāo)，補(bǔ)充了BOLD信號的血氧依賴基礎(chǔ)，強(qiáng)化了神經(jīng)血管代謝耦合模型的可靠性。總之，Unisense電極的數(shù)據(jù)是連接血流與代謝的關(guān)鍵，直接證實了GABA能調(diào)制對腦氧合的動態(tài)影響，提升了功能成像的生理解讀精度。