神经元在神经血管耦合中的作用

摘要

神经网络中的活动是血流动力学信号中活动依赖性变化的基础

增加的神经元活动和脑血流（CBF）之间的时间和空间耦合被称为功能性充血或神经血管耦合，是一种高度调节的现象，可确保在特定任务期间向工作中的神经元提供充足的氧气和葡萄糖。尽管直观上很吸引人，但能量状态和血流之间的直接联系并没有被普遍接受，神经血管耦合的生理基础仍然不确定。事实上，葡萄糖或氧气的缺乏似乎都不能完全证明血流动力学反应的合理性（Powers等人。，1996; Wolf等人。，1997; 林道尔等人。，2010)，这可能是功能激活期间底物传递的安全措施（Leithner等人。，2010). 尽管有这些局限性，但血流动力学信号的变化（BOLD反应、CBF或脑血容量，CBV）通常被用作脑成像程序中绘制神经活动变化的替代标记物，如功能磁共振（fMRI）、正电子发射断层扫描（PET）或弥散光学成像（DOI）在生理和病理条件下。因此，对成像数据的充分解释迫切需要了解激活的神经回路的细胞基础及其与星形细胞和血管靶点的相互作用。与外周神经系统的神经节对大脑大动脉的支配不同，神经节主要参与自我调节（综述，Hamel，2006)，此处起作用的神经回路是指中枢神经系统与脑微循环相互作用的通路。

因此，众所周知，活动的变化是由传入的传入纤维触发的，但正是靶细胞对其进行的局部处理导致了灌注变化（Logothetis等人。，2001; 劳里岑和戈尔德，2003; 劳里岑，2005). 这些血流动力学变化主要（如果不完全）是通过控制小动脉水平的血管系统实现的（Hillman等人。，2007)从软脑膜表面一直到毛细血管周细胞所在的毛细血管前水平（Jones，1970)后一种收缩成分可能参与毛细血管张力的局部控制（Peppiatt等人。，2006). 此外，研究表明，血流动力学反应与同步突触活动相关，这是一个耗能很高的过程（Arthurs等人。，2000)它由突触活动增强期间释放的信号分子控制（Devor等人。，2007). 最近，利用神经血管对各种感官刺激（胡须、前爪或后爪、视觉）的耦合反应，优雅的实验表明，血流动力学活动的扩散准确地反映了神经反应（Berwick等人。，2008)它是由皮质内加工产生的突触活动驱动的（Franceschini等人。，2008)后者反映了兴奋信号和抑制信号之间的平衡（Devor等人。，2005,2007; Shmuel等人。，2006). 特别是，受抑制的神经元活动或功能性神经元抑制与血液氧合和灌注减少有关，这可以解释负BOLD信号（Shmuel等人。，2002,2006)因为它与小动脉收缩同时发生（Devor等人。，2007).

潜在神经回路的识别

Lu等人进行了一项有趣的研究，试图确定潜在的神经元回路(2004)结果表明，大鼠触须刺激的层流BOLD和CBV反应与通过c-Fos上调评估的神经元活性增加在空间上相关。在用5-羟色胺释放药物间氯苯基哌嗪治疗的大鼠进行的一项无关研究中，BOLD阳性信号和c-Fos免疫反应在活性增强的区域相关，但在那些BOLD信号减弱的区域则不相关，这可能是由于神经元信号减弱所致（Stark等人。，2006). 最近，研究表明，刺激皮层和丘脑皮层对体感皮层同一区域的输入，可导致CBF和耗氧量发生完全不同的频率依赖性变化，以及不同人群皮层兴奋性锥体细胞和抑制性GABA中间神经元的诱发活动（Enager等人。，2009). 随着抑制性中间神经元的沉默或募集，刺激强度增加，这表明神经网络的激活既依赖于刺激，也依赖于频率。尤其是，血液动力学反应归因于环氧化酶-2（COX-2）锥体细胞和生长抑素（SOM）/一氧化氮合酶（NOS）抑制性中间神经元的激活，这与涉及COX-2和NOS衍生血管扩张信使在这些神经血管通路中的药理研究一致（Niwa等人。，2000; Gotoh等人。，2001; Hoffmeyer等人。，2007). 此外，抑制性中间神经元活性的增加与同步皮层活动触发的血流动力学反应的启动有关，正如基底前脑激活所诱导的那样（Niessing等人。，2005). 刺激这种基底皮质传入进一步表明，胆碱能肽层II至VI SOM和神经肽Y（NPY）中间神经元以及层I GABA中间神经元选择性激活，锥体细胞广泛激活，包括含有COX-2的锥体细胞（Kocharyan等人。，2008; Lecrux等人。，2009). 虽然已经证明CBF反应是由胆碱能传入触发的，但其完整表达需要GABA_A类-介导的在神经元、血管和/或星形细胞靶点上的传递（Kocharyan等人。，2008). 这些解剖、神经化学和功能研究共同证明了识别血液动力学信号背后的细胞整体的重要性，强调了特定神经元亚群被给定刺激激活，这取决于它们接收和整合的传入输入。

血管周围星形胶质细胞作为谷氨酸和GABA途径的中间产物

除了难以确定兴奋性和抑制性神经递质在诱发血液动力学反应中的确切作用外，还需要考虑这些神经递质系统对血管周围星形胶质细胞的影响（详细综述，Carmignoto和Gomez-Gonzalo，2009). 突触和血管的包裹（Kacem等人。，1998)通过神经胶质突起，特别是在超微结构水平确定的多个神经血管并置中的神经胶质终末，导致了神经营养血管三分功能单位的概念（Vaucher和Hamel，1995; 科恩等人。，1996; 帕帕拉斯和帕帕佐普洛斯，1996; Vaucher等人。，2000). 这些相互作用在CBF调节中的重要性首先通过证明星形胶质细胞可以合成血管扩张信使而得到证实（表​（表1），1)尤其是从P450花生四烯酸环氧酶活性生成的环氧碳三烯酸（EET）（Alkayed等人。，1996)参与CBF对谷氨酸的反应（Alkayed等人。，1997; Harder等人。，1998). 不久之后，第一个在体外（皮质切片）和体内通过代谢型谷氨酸受体（mGluRs）诱导的钙来证明星形胶质细胞的作用²⁺短暂的微阵列扩张和前爪刺激血流增加，这是一种由花生四烯酸产物介导的反应，可能是前列腺素E₂（第页₂)（Zonta等人。，2003). 自这项先驱性研究以来，星形胶质细胞在神经血管耦合中的作用在各种范式中得到了重申（Carmignoto和Gomez-Gonzalo，2009).

表1

功能性充血的神经元和神经递质综述.

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仅列出体内识别的皮层介质。神经和胶质代谢副产物（例如CO₂，H⁺，腺苷…)不包括在内。NO、一氧化氮；血管活性肠多肽；PgE公司₂，前列腺素E₂; EET，环氧脂肪酸；一氧化氮合酶；神经肽Y；环氧合酶，NMDA-R，N-甲基 d日 天冬氨酸受体；离子型谷氨酸受体，mGluR，代谢型谷氨酸接收器；VSMC、血管平滑肌细胞、sGC、可溶性鸟苷酸环化酶、VPAC1、VIP/PACAP受体1型；EP、前列腺素E₂受体；GPCR，G蛋白偶联受体。K（K）_钙，加利福尼亚州²+-激活的K⁺ 渠道；K（K）_红外，向内整流器K⁺ 渠道；g、 电导。可在主列表中找到参考.

钙激活星形细胞末梢的另一条途径²⁺诱导钾的大电导、钙敏感钾（BK）通道增加⁺释放（表​（表1），1)，平滑肌Kir通道的激活和松弛（Filosa等人。，2006). 最近，有研究表明²⁺星形细胞末梢的增加决定了血管反应的扩张或收缩性质，两者均由细胞外钾介导⁺（Girouard等人。，2010). 这种新的机制将重新统一之前在脑片或视网膜中“明显”矛盾的发现，即钙增加引起的扩张和收缩²⁺星形胶质细胞中的信号传导，并由NO水平解释（Mulligan和MacVicar，2004; Metea和Newman，2006)，氧气（Gordon等人。，2008)或血管原有的基调（Blanco等人。，2008). 此外，Girouard等人的研究(2010)表明神经元激活在体外（电场刺激）同样通过星形细胞BK和平滑肌Kir通道的连续激活发挥作用。考虑到GABA（Nilsson等人。，1993; Serrano等人。，2006; Meier等人。，2008)以及与GABA共定位的肽，如SOM（Somogyi等人。，1984; Cauli等人。，2000)中间神经元也增加钙²⁺星形胶质细胞中的信号传导（Straub等人。，2006)后者在神经血管耦合中可作为GABA的中介（表​（表1）。1). 星形细胞/平滑肌BK和Kir通道激活级联是否参与尚待确定。同样，评估神经元的后一种或其他收缩机制（Cauli等人。，2004; Rancillac等人。，2006)或血管起源（Mulligan和MacVicar，2004)可以解释体感刺激后神经元去极化中央核和超极化周围区域分别出现的扩张期和收缩期（Devor等人。，2007). 迄今为止，这种反应的细胞和分子机制甚至功能意义尚不清楚。

Neurally衍生的血管活性信使

除了星形胶质细胞衍生的血管扩张信使PGE₂（Zonta等人。，2003)EET（Alkayed等人。，1996)、或K⁺离子（Filosa等人。，2006)，一些血管舒张剂主要由不同的神经元群体合成（表​（表1）。1). 这些包括COX-2衍生的前列腺素（Niwa等人。，2000)由一些第II–III层锥体细胞产生（Yamagata等人。，1993; Breder等人。，1995)，一氧化氮（NO）（Gotoh等人。，2001)其合成酶由皮层GABA中间神经元的离散亚群表达（Kubota等人。，1994)，VIP（Yaksh等人。，1987)，乙酰胆碱（Scremin等人。，1973)和促肾上腺皮质激素释放因子（De Michele等人。，2005)由双极/双极GABA中间神经元合成（Morrison等人。，1984; Chédotal等人。，1994年a; Cauli等人。，1997; Gallopin等人。，2006). 至于星形胶质细胞衍生的信使，它们的释放受到谷氨酸能神经传递的刺激（Wang等人。，1986; 法拉奇和布雷斯，1993; Pepicelli等人。，2005). 例如高钙²⁺渗透性NMDA受体，由皮层神经元表达（Monyer等人。，1994; Cauli等人。，2000)，促进PGE的发布₂（Pepicelli等人。，2005)和NO（Faraci和Breese，1993).

与星形胶质细胞一样，一些GABA中间神经元产生具有血管收缩特性的物质，即NPY（Abounader等人。，1995; Cauli等人。，2004)和SOM（Long等人。，1992; Cauli等人。，2004). 产生这些血管活性肽的皮层神经元通过上述神经营养血管并置与血管密切相关（Chédotal等人。，1994年b; Abounader和Hamel，1997; 埃斯特拉达和德菲利佩，1998; Vaucher等人。，2000; Wang等人。，2005)，并且它们的受体由平滑肌细胞和星形胶质细胞表达（Chalmers等人。，1995; Bao等人。，1997; Abounader等人。，1999; Fahrenkrug等人。，2000; Cauli等人。，2004; Straub等人。，2006; Cahoy等人。，2008). 这就提出了一个有趣的问题，即星形胶质细胞是否是神经衍生血管活性信使的中介体，或者后者是否对微循环产生直接影响。

神经元和星形胶质细胞招募的时间序列

人们普遍认为细胞内钙的增加²⁺（表​（表1）1)是神经元产生和/或释放血管活性信使所必需的早期事件（Lauritzen，2005)和星形胶质细胞（Straub和Nelson，2007). 钙的检查²⁺这些细胞类型的动力学可以为解读它们对功能性充血的相对和时间贡献提供线索。一般的观点是快速Ca²⁺事件反映了快速（10–12 ms）神经元的尖峰反应（Petersen等人。，2003)和/或钙活化²⁺可渗透的离子性受体，而较慢的动力学主要是由代谢性受体的激活驱动，导致钙的释放²⁺从细胞内储存（Perea和Araque，2005). 因此，皮层神经元表达更频繁和丰富的离子型谷氨酸受体（Monyer等人。，1994; Cauli等人。，2000)而不是星形胶质细胞（Conti等人。，1997; Cahoy等人。，2008)，可能是大多数快速钙的来源²⁺响应。相反，I组mGluRs在皮层神经元中普遍表达（Baude等人。，1993; Cauli等人。，2000)和星形胶质细胞（波特和麦卡锡，1996)会导致Ca速度变慢²⁺两种细胞类型的动力学。与此一致的是，在体感或视觉皮层，诱发Ca²⁺神经元中的事件实际上是由感觉刺激锁定的，比星形胶质细胞中的事件提前几秒钟（Stosiek等人。，2003; Ohki等人。，2005; Wang等人。，2006; Schummers等人。，2008; Murayama等人。，2009)，尽管一小部分（～5%）星形胶质细胞可以显示Ca²⁺与神经元反应一样快（Winship等人。，2007).

星形细胞末梢的钙非鞘化体内显示小动脉开始扩张～500 钙开始后ms²⁺增加（Takano等人。，2006)这表明必须在这个时间窗内实现血管舒张信使的合成、释放和作用。由于血液动力学反应开始～600 感觉刺激开始后ms（Kleinfeld等人。，1998; Devor等人。，2003)，似乎只有表现出快速诱发Ca的细胞类型²⁺事件（即小于100 ms）可以解释血流动力学反应的早期阶段。因此，由神经元产生的血管活性信使，可能也由具有快速钙离子的星形胶质细胞产生²⁺事件，可以解释此响应（图​（图11).

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图1

锥体细胞、GABA中间神经元和星形胶质细胞对皮质微血管的拟议调节概述（A），以及它们各自的作用如何在时间上调节CBF变化（B）.（A）来自不同脑区的皮层下传入以大脑皮层中不同数量的神经元为目标。这些激活的神经元网络可以直接作用于局部微血管，这些微血管被赋予大多数神经递质/神经介质的受体（血管壁上的几何形状），也可以通过星形胶质细胞间接作用于锥体细胞和中间神经元。已知的锥体细胞和中间神经元释放的直接血管活性介质分别对应于COX-2衍生物，如前列腺素E2（PGE2）和NO，可能还有GABA，而星形胶质细胞主要通过释放舒张性EET发挥作用，与NO和PGE2（或其他神经释放的血管活性分子或肽）相对较慢的作用。还必须考虑皮层下传入神经直接接触皮层星形胶质细胞或微血管并对其起作用的可能性。修改自Hamel中的图3(2006).（B）锥体细胞（PGE2）、中间神经元（NO）和星形胶质细胞（EET）产生的选定血管活性介质对感觉刺激诱发的CBF反应的相对和时间贡献示意图（见表​表11以获取更完整的列表）。简短刺激（1 s） 更可能涉及神经源性介质，而持续刺激（1 min）更容易招募星细胞衍生的信使。在持续刺激期间，短暂释放NO对CBF反应的贡献很小，可以解释其允许作用。

血管活性信使的多重性：它们都是必需的吗？

在大脑皮层中，没有任何与神经血管耦合有关的血管活性信使（Girouard和Iadecola，2006)无论起源于神经元还是星形胶质细胞，都可以单独解释血液动力学反应，正如基因失效所证明的那样（Ma等人。，1996; Niwa等人。，2000,2001; Kitaura等人。，2007)或合成抑制（Lindauer等人。，1999; Peng等人。，2002; Hoffmeyer等人。，2007; Leithner等人。，2010). 单独汇总时，这些信使的抑制作用大大超过了预期值100%（伊德科拉，2004)这表明必须仔细考虑它们的行动动力学、时间和空间招募，以阐明它们的相对贡献。或者，这可能意味着激活的通路并不是必须彼此独立运行的，在某些情况下，一些通路可能充当灌注反应的调节剂，而不是介质，正如躯体感觉皮层中NO的记录（Lindauer等人。，1999).

NO，扩散速度最快的（Wood和Garthwaite，1994)由表达NPY的中间神经元亚群产生的血管舒张剂（Dawson等人。，1991)可能是神经血管耦合的早期直接信使。相应地，Shibuki的研究小组表明，神经元NO可占短时间（1）诱发的CBF反应的50% s） 感觉刺激（Kitaura等人。，2007). 相反，其他人只发现NO在长时间（1 min）刺激（Lindauer等人。，1999; Liu等人。，2008). 这些差异可能反映了NO释放是瞬态的（Buerk等人。，2003)这可以通过血红蛋白的NO清除作用和/或产生NO的中间神经元的适应来解释（Karagiannis等人。，2009). 相反，COX-2产生的血管扩张性前列腺素，主要由锥体细胞表达（Yamagata等人。，1993; Breder等人。，1995)，占两者持续诱发的CBF反应的约50%（Niwa等人。，2000)和短暂刺激（Kitaura等人。，2007). 与神经源性信使参与神经血管耦合早期相一致，前列腺素和NO合成的阻断几乎完全消除了短暂感觉刺激引起的血液动力学反应（Kitaura等人。，2007). 在长时间的感觉刺激期间阻断EETs合成（Peng等人。，2002)或其受体（Liu等人。，2008)阻断了约50%的血流反应，表明星形胶质细胞产生EET（Alkayed等人。，1996)在持续的神经元活动中释放。

类似地，K的本地发布⁺来自星形细胞末端（Filosa等人。，2006)占长时间感觉刺激引起的CBF增加的50%（Girouard等人。，2010; Leithner等人。，2010)令人惊讶的是，联合阻断NOS、COX、p450环氧酶、BK通道和腺苷受体（Leithner等人。，2010)未达到单独阻断所预期的血流动力学反应晚期的完全抑制（见上文）。这表明多重抑制不完全或涉及其他持久的血管舒张信使（Cauli等人。，2004)可能是VIP，包含在丘脑皮质传入神经靶向的GABA中间神经元内（Staiger等人。，1996)并在感觉刺激期间释放（Wang等人。，1985). 类似地，血管扩张信使来源于内皮（Rosenblum，1986)如NO、前列环素（Faraci和Heistad，1998)还有EET（坎贝尔和弗莱明，2010)，可能在某些情况下被招募，因为据报道，在毒蕈碱m5受体激活后，内皮细胞一氧化氮（Elhusseiny和Hamel，2000; 山田等人。，2001).

当前认识、未来方向和临床意义

目前的证据表明，将神经元活动变化转化为综合血管反应的神经元和星形胶质细胞信号高度依赖传入传入神经释放的神经递质，并严格由激活区内的靶神经元决定。特别是，取决于传入输入的性质(我)不同的神经元或星形胶质细胞信使可能依次作用，调节血流动力学变化(ii（ii）)一些被招募的神经元释放出可以直接改变血管张力的信使(三)另一些通过调节神经元和星形胶质细胞的活动来起作用，以及(iv（四）)星形胶质细胞可作为兴奋性和抑制性神经递质的中介体（图​（图11).

可能是由于皮层神经元的巨大多样性（Ascoli等人。，2008)据我们所知，没有体内这项研究已经调查了钙²⁺确定的产生血管活性物质的神经元的动力学或其刺激的血管效应。表达基因编码荧光报告物和/或光遗传学工具的转基因小鼠的不断发展（Cardin等人。，2009; Sohal等人。，2009)在皮质神经元的离散亚群中（Heintz，2001)随着超快多光谱成像系统的出现（Bouchard等人。，2009)允许同时监测钙²⁺事件和血流动力学应有助于评估特定神经元类型在神经血管耦合中的作用。这将为神经驱动的血液动力学改变的时间、空间和程度以及如何在正常或病理生理的脑成像背景下解释后者提供决定性的结论。

事实上，由于星形胶质细胞似乎是传递持续血流动力学反应信号的中间效应器，因此必须认真考虑它们在中枢神经系统的几种慢性疾病（如阿尔茨海默病或癫痫）中的变化，主要表现为慢性激活状态。fMRI、PET或DOI检测到的灌注信号改变可能代表星形胶质细胞功能障碍，而不是必要的神经活动受损。将这种思维扩展到微循环本身，微循环是由大脑活动增加、血管本身的任何疾病或其扩张或收缩的物理能力的改变引起的神经元-星形细胞血管事件的复杂级联的功能终点，如在高血压、糖尿病、，高胆固醇血症，甚至阿尔茨海默病（Iadecola，2004; 兹洛科维奇，2008)会阻碍血管对完全正常的神经元活动的正确反应。这进一步强调了在直接推断神经活动改变时，应对灌注信号采取极端谨慎的态度（Schleim和Roiser，2009; 埃克斯特罗姆，2010). 因此，对工作中的神经回路的仔细理解需要在健康或生病的大脑中进行解释，将神经炎症和血管疾病视为可能的混淆因素。

利益冲突声明

作者声明，该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。

致谢

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