Topological basis for the robust distribution of blood to rodent neocortex

doi:10.1073/pnas.1007239107

比较研究

.2010年7月13日；107(28):12670-5.

doi:10.1073/pnas.1007239107。 Epub 2010年6月28日。

啮齿动物新皮质血液稳健分布的拓扑基础

巴勃罗百叶窗¹, 安迪·Y·施, 克里斯托弗·拉菲, 大卫·克莱菲尔德

附属公司

PMID： 20616030
预防性维修识别码： PMC2906564型
内政部： 10.1073/pnas.1007239107

比较研究

啮齿动物新皮质血液稳健分布的拓扑基础

巴勃罗百叶窗等。美国国家科学院程序. 2010.

.2010年7月13日；107(28):12670-5.

doi:10.1073/pnas.1007239107。 Epub 2010年6月28日。

作者

巴勃罗百叶窗¹, 安迪·Y·施, 克里斯托弗·拉菲, 大卫·克莱菲尔德

附属

¹美国加利福尼亚州拉霍亚加利福尼亚大学物理系、生物系、神经科学研究生院和神经回路与行为中心，邮编92093。

PMID： 20616030
预防性维修识别码：第906564页
内政部： 10.1073/pnas.1007239107

摘要

维持脑部强劲的血液流动对脑组织的健康至关重要。我们检查了大脑中动脉的pial网络，该网络将血液从大脑动脉分配到来源于新皮质微血管的穿透小动脉，以表征血管拓扑结构如何支持这种稳健性。对于小鼠和大鼠来说，两个特征支配着拓扑结构。首先，互联回路跨越大脑中动脉来源的整个区域。尽管环路占所有支路的比例小于10%，但在多次断开后，它们保持了网络的整体连通性。其次，环上80%以上的分支是以单个穿透小动脉结束的树桩，而不是具有多个穿透小动脉的树木。我们假设，环和树桩保护流向实质的血液不被表面血管阻塞。为了验证这一点，我们分析了表面环近端分支闭塞后，由单个穿透小动脉来源的组织的活性。我们观察到，即使闭塞导致局部血流减少，神经元仍然保持健康。相反，直接阻断单个穿透小动脉必然导致神经元死亡和囊肿形成。我们的结果表明，在血管功能障碍的情况下，表面血管系统作为一个网格，用于稳健地分配血液。当前和先前研究的综合结果表明，软脑膜网络根据不断变化的代谢需求重新分配血液。

PubMed免责声明

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数字

**图1。**
大脑中动脉的完整绘图。(A类)荧光血管填充物形成的扁平皮质半球，覆盖大脑中动脉网内的所有血管(B类)在每次追踪中，边（绿线）连接位于分支处的顶点，坐标数为3（红色圆圈），顶点位于穿透动脉的位置（青色圆圈）。(C类)血管标签卡通，包括形成的穿透血管顺便以及边缘的末端。(D类)大鼠和小鼠之间的顶点组成在分支比例上略有不同，尽管差异很大(*P（P）*< 0.05,t吨试验），但穿透小动脉的顶点比例没有差异。(E类)整个软脑膜网络的边缘长度分布。在大鼠和小鼠的分布之间有一个小而显著的变化(*P（P）*<0.05，KS试验，插入).

**图2。**
pial网络的主干环路结构(A类)大鼠完整MCA追踪的典型示例。MCA的主干以黑色边缘和红色顶点高亮显示，非主干分支以绿色显示。(B类)大鼠和小鼠的组合数据的顶点与边的比率符合3比2的比例，等于六边形晶格的比例。相比之下，树和总线的缩放比例为1。(C类)与中相同的主干A类，但具有所有循环的集合，被选择为包括每个循环所涉及的边数最小的那些循环。边的数量与相关顶点的颜色相同。(D类)大鼠和小鼠的每个环的边缘数量分布。尽管环的总数不同，但这两个物种的分布是相同的。

**图3。**
测量的软脑膜网络和理想晶格对累积边缘去除的结构鲁棒性。(A类)不同尺寸的大鼠、小鼠和蜂窝状晶格的平均主干对边缘去除的鲁棒性。稳健性是通过在计算从图的最大组件中分离出来的顶点的分数时，逐步随机删除图的边来计算的。该过程以删除所有边结束，并对每个网络重复10000次。删除的边导致5%顶点隔离的部分由彩色箭头指示。作为控制，所有顶点接近隔离的极限对应于作为一条跨越网络的路径而保持断开的顶点的分数。理论值为2罪对于六角形晶格（51）中的渗流（π/18）=0.347（即渗流阈值Pc），与以下模拟结果进行了很好的比较n个=100000个节点）。(B类)断开5%网络所需的顶点数量，与网络的大小有关。与啮齿动物MCA主干相比，平均需要从蜂巢或方形格子中分别移除17%和40%的额外边缘，以获得相同的孤立顶点范围。

**图4。**
贯穿主干的动脉分支直接进入实质。(A类)小鼠大脑中动脉主干的分支示例。分支被隔离成子图，子图由每个子图的顶点数进行颜色编码。(B类)75%以上的分支由一个穿透的小动脉组成(n个=大鼠和小鼠分别为2673和1377个分支）。这个分布的尾部在经验上受二次和三次衰减的限制。

**图5。**
表面小动脉环单点闭塞后通过穿透小动脉保持流量。(A类)使用活体TPLSM从大鼠皮层血管上部300μm采集的图像堆栈的最大投影。软脑膜小动脉网为红色，静脉网为蓝色。插图突出显示了一个小微动脉环，其中有三个穿透的微动脉短梗。(B类)通过靶向光血栓形成（环内x），在表面小动脉环的一段形成局部血栓。收集闭塞前后穿透小动脉和表面小动脉中红细胞流量的测量结果。局部穿透小动脉位于靶表面小动脉附近，测量远处穿透小动脉作为对照。(C类)通过穿透小动脉的闭塞前后流量散点图。流量基线分布的直方图来自399个小动脉。(D类)用αNeuN染色的连续切片的显微照片，取自一只表面闭塞的动物，该动物在存活一周后死亡。该框指示以较高放大倍数拍摄的区域；显微照片下部的箭头。用虚线突出显示的皮质梗死体积是通过测量一组连续切片的αNeuN染色损失来确定的。(E类)连续切片的显微照片，分析如下D类，来自一种穿透性小动脉被光血栓直接闭塞的动物。注意相对较大的梗死。(F类)作为目标小动脉基线流量的函数绘制的微梗死体积。实验如所示D类和E类用方形点标记。

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