大脑皮层抑制性神经元驱动血流响应的深度特异性机制研究

《iScience》：Parvalbumin interneurons drive depth-dependent vascular responses

　　本研究通过光遗传学与化学遗传学技术，揭示了小鼠体感皮层中表达小白蛋白的抑制性神经元（PV interneurons）在诱发和自发活动状态下对脑血流（CBF）调控的深度特异性作用。研究发现，PV神经元激活可在浅层皮层诱发快速血管舒张，而在中层皮层引起延迟性缓慢血管舒张；在短暂感觉刺激中PV神经元参与浅层血管舒张，但在持续刺激中作用有限。该研究为理解神经血管耦合（NVC）的细胞机制及功能磁共振成像（fMRI）信号来源提供了重要依据。

　　

当我们用功能磁共振成像（fMRI）观察人脑活动时，所测量的信号实际上来源于神经活动引发的局部血流变化——这一过程被称为神经血管耦合（neurovascular coupling, NVC）。然而，血流信号只是神经活动的“间接报告”，要准确解读fMRI图像，就必须搞清楚不同类型的神经元是如何调控血流的。在各类神经元中，表达小白蛋白的抑制性中间神经元（parvalbumin interneurons, PV neurons）尤为特殊：它们不仅是大脑中最主要的抑制性细胞类型，还被认为是产生γ振荡的关键细胞，而这种节律活动与血流信号变化密切相关。不过，以往关于PV神经元对脑血流（cerebral blood flow, CBF）影响的研究结果却相当不一致——有的报道说它们会引起血管收缩，有的则观察到血管舒张，时间和反应性质似乎受到脑状态、麻醉以及记录技术差异的影响。这些矛盾提示我们，PV神经元对血管的调控可能具有脑皮层深度上的特异性，而这一点尚未被系统研究。

为了澄清这一问题，美国匹兹堡大学Alberto L. Vazquez教授团队在《iScience》上发表了最新研究。他们综合运用双光子显微镜（two-photon microscopy, 2P）、光遗传学（optogenetics）和化学遗传学（chemogenetics）等技术，在清醒小鼠中探究了PV神经元在不同皮层深度对血管张力（vascular tone）的调控作用，涵盖了外界刺激诱发和大脑自发活动两种状态。

研究人员主要采用了以下几种关键技术：在表达Cre重组酶的PV-Cre转基因小鼠体感皮层（S1）注射携带光敏感通道Channelrhodopsin-2（ChR2）或抑制性DREADD受体（hM4D(Gi)）的病毒，实现对PV神经元的精准激活或抑制；利用激光多普勒血流仪（Laser Doppler flowmetry, LDF）和双光子成像同步记录脑血流和血管直径变化；通过钙成像（Ca2? imaging）监测神经元活动；并结合免疫组织化学和RNA原位杂交分析PV与速激肽1（Tachykinin 1, Tac1）的表达分布。研究还使用了人死后前额叶皮层组织进行对比分析。

光遗传学刺激证实PV神经元激活引起深度特异的血管反应

研究首先通过表达ChR2的病毒选择性激活S1皮层的PV神经元，并在不同深度记录血管直径变化。他们发现，在浅层皮层（<250 μm），短暂的（1秒）光遗传刺激可引起快速的血管舒张；而在中层皮层（250–400 μm），则需要较长时间的刺激（4秒）才能诱发延迟而缓慢的血管舒张，且该反应随刺激频率增加而增强。

这一结果通过LDF在全皮层尺度的血流记录中得到印证，说明PV神经元的活动足以驱动具有深度特异性的血流动力学响应。

感觉刺激期间PV神经元对快速血流响应贡献有限

为了在更接近生理的条件下检验PV神经元的作用，研究人员在给予小鼠触须气流刺激（whisker stimulation）的同时，利用化学遗传学手段抑制PV神经元的活动。结果显示，在持续4秒的刺激中，抑制PV神经元并未显著改变LDF记录的整体血流上升反应，说明在此条件下PV神经元对快速的、全层平均的血流响应贡献不大。然而，在浅层皮层的单条穿通动脉（penetrating arterioles）水平，短暂（1秒）刺激所引起的血管舒张在PV抑制后明显减弱，这与光遗传学实验中浅层皮层的快速血管舒张结果一致。

这表明PV神经元在短暂感觉输入时参与浅层血管调节，但在持续输入时作用被其他机制覆盖。

自发活动中PV神经元同步化预测深度特异性血管波动

在无外界刺激的自发活动（ongoing activity）状态下，研究人员分析了PV神经元活动与血管波动的关联。他们发现，相较于非PV神经元，有更大比例的PV神经元的活动能够预测自发性的血管直径变化。更重要的是，当PV神经元活动出现同步化（synchrony）事件时，随后出现的血管舒张峰值时间随皮层深度增加而延迟，这一趋势与光遗传刺激实验中的深度依赖性血管反应模式高度相似。

这意味着PV神经元的同步化活动可能是大脑静息状态下观察到的低频血流波动（如fMRI中的低频振荡）的重要神经基础。

PV与Tac1的共表达为延迟性血管舒张提供潜在通路

什么机制可能导致中层皮层的延迟性血管舒张？研究人员对小鼠和人类皮层样本的分析显示，PV神经元与神经肽Tac1（速激肽1）存在显著的共表达，且在皮层中层出现密度峰值。

已知Tac1可作用于表达其受体Tacr1的神经元，后者常共表达一氧化氮合酶（nNOS），而一氧化氮（NO）是强效的血管舒张因子。因此，PV神经元激活后可能通过释放Tac1，间接激活nNOS/NO通路，从而引起延迟的血管舒张，这为深度特异的血管响应提供了一个合理的分子解释。

本研究系统阐明了PV抑制性神经元在调控脑血流中的深度特异性作用，将以往看似矛盾的研究结果统一到一个清晰的框架下：PV神经元的活动效应高度依赖于皮层位置和活动模式。该发现不仅深化了对神经血管耦合基本机制的理解，更重要的是，它为解读活体脑功能成像（尤其是静息态fMRI）信号提供了新的细胞层面依据。研究提示，在分析fMRI数据时，应考虑不同皮层深度可能对应着截然不同的血流调节逻辑。此外，PV-Tac1-nNOS通路的发现为干预脑血管相关疾病提供了新的潜在靶点。由于PV神经元功能异常与精神分裂症、阿尔茨海默病等多种认知障碍疾病密切相关，本研究也为理解这些疾病中神经血管功能失调的机制带来了新的启示。