關(guān)于通過生物力學(xué)與神經(jīng)生物學(xué)聯(lián)合途徑探索神經(jīng)血管耦合規(guī)律和腦疾病發(fā)病機(jī)理的探討

Sunny C. Li 諶小維

(1. 重慶腦與智能科學(xué)中心, 重慶 401336)

(2. 中國(guó)人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué), 重慶 400038)

趙躍宇教授推薦

隨著我國(guó)人民生活方式的改變和人口老齡化進(jìn)程加快,腦疾病的發(fā)病率逐年升高,嚴(yán)重危害國(guó)民健康,給患者及其家庭乃至社會(huì)帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān).腦疾病伴隨著血流動(dòng)力學(xué)的改變,在以往的研究中,人們認(rèn)為腦功能僅基于神經(jīng)元活動(dòng)和其網(wǎng)絡(luò)連接.但是,近二十年來的研究指出,膠質(zhì)細(xì)胞和血管也緊密參與到腦活動(dòng)及其調(diào)控中,而腦血管的病變更有可能直接與癡呆等神經(jīng)退行性疾病相關(guān).因此,迫切需要研究在不同尺度上和不同生理狀態(tài)下血管與神經(jīng)的相互調(diào)節(jié)關(guān)系.

怎樣研究腦中的膠質(zhì)細(xì)胞、血管與神經(jīng)元的相互作用規(guī)律?

首先,需要基于高時(shí)空分辨率雙光子顯微鏡等,并進(jìn)一步建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、多維度、多模態(tài)腦功能成像技術(shù),在活體條件下,探索亞細(xì)胞水平運(yùn)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的神經(jīng)和血管相互調(diào)控機(jī)制 (神經(jīng)血管耦合),建立運(yùn)動(dòng)-力學(xué)-代謝-分子軸的量效關(guān)系;基于血液流變學(xué)等技術(shù)的生物力學(xué)平臺(tái),在生理(例如覺醒睡眠和記憶)和病理(例如腦卒中、老年癡呆、癲癇等腦疾病)條件下,探索神經(jīng)元-膠質(zhì)細(xì)胞-血管生物學(xué)和力學(xué)機(jī)理.

其次,需要研究不同級(jí)別血管與不同神經(jīng)細(xì)胞在生理狀態(tài)下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及血液動(dòng)力學(xué)變化,闡明不同行為學(xué)狀態(tài)下神經(jīng)血管耦合作用機(jī)制,并針對(duì)同一模式動(dòng)物完成從局部到全腦的整體描繪.多尺度、多模態(tài)解析腦功能在生理及病理狀況下的變化規(guī)律及其網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),并結(jié)合生物力學(xué)相關(guān)理論和技術(shù),為腦疾病早期預(yù)防和精準(zhǔn)診療提供理論和實(shí)踐依據(jù).

1 研究目標(biāo)

以機(jī)體運(yùn)動(dòng)/力學(xué)感知為出發(fā)點(diǎn),揭示運(yùn)動(dòng)/力學(xué)信號(hào)對(duì)中樞神經(jīng)和血管等的影響及穩(wěn)態(tài)維持的機(jī)制.重點(diǎn)圍繞“腦神經(jīng)血管耦合穩(wěn)態(tài)的調(diào)控及力生物學(xué)機(jī)制”的科學(xué)問題,結(jié)合行為學(xué)范式和平臺(tái),發(fā)展多尺度、多模態(tài)生物醫(yī)學(xué)在體成像方法,闡明神經(jīng)血管耦合的生理和病理機(jī)制,指導(dǎo)慢性腦疾病的診療.利用力學(xué)基本原理和方法,解析神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、血管的生物學(xué)動(dòng)態(tài)演變和變化過程,發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn)和作用關(guān)系,并驗(yàn)證神經(jīng)血管單元是腦功能調(diào)控關(guān)鍵位點(diǎn)的新理論.深入研究神經(jīng)血管間的調(diào)控及力應(yīng)激的生物學(xué)效應(yīng),為腦疾病的診治提供新思路,闡明其生理和病理的作用機(jī)制和臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用價(jià)值.

2 主要研究?jī)?nèi)容

2.1 研究?jī)?nèi)容1

建立神經(jīng)血管耦合與力生物學(xué)量效關(guān)系及在不同生理狀態(tài)下的力生物學(xué)機(jī)制.

? 正常健康人群進(jìn)行不同強(qiáng)度(低、中、高)和不同方式(跑步和抗阻)運(yùn)動(dòng)干預(yù),明確運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)方式與腦血流動(dòng)力學(xué)的量效關(guān)系;研究覺醒睡眠和記憶不同腦狀態(tài)下,神經(jīng)血管耦合的動(dòng)力學(xué)規(guī)律.

? 基于對(duì)正常人群的運(yùn)動(dòng)干預(yù)結(jié)果,通過測(cè)量脈搏波傳導(dǎo)速度等方法構(gòu)建血管生物力學(xué)參數(shù),整合血流動(dòng)力學(xué)、電信號(hào)、血氧、微量元素和體溫等參數(shù),建立體現(xiàn)量效關(guān)系的模型,明確運(yùn)動(dòng)與神經(jīng)血管耦合的力生物學(xué)機(jī)制.

? 基于已知的力學(xué)敏感基因以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)因子,在分子水平上建立運(yùn)動(dòng)-力學(xué)響應(yīng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像的分子示蹤技術(shù),為建立運(yùn)動(dòng)-力學(xué)-代謝-分子軸提供定量平臺(tái),驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)響應(yīng)因子和力學(xué)敏感因子的量效關(guān)系.

? 基于建立的運(yùn)動(dòng)-血管-神經(jīng)顯微動(dòng)態(tài)成像平臺(tái),研究不同穩(wěn)態(tài)條件下血管、神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在中樞及外周神經(jīng)組織中的相互作用及血液動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律,揭示力學(xué)-神經(jīng)-血管功能穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)新機(jī)制.這些生理狀態(tài)包括:靜息狀態(tài)(或麻醉狀態(tài)),被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)外部激活(如視覺、聽覺或觸覺刺激)狀態(tài),主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部激活(如奔跑時(shí)視覺、聽覺或觸覺刺激)狀態(tài);研究覺醒睡眠和記憶形成過程中,血管、神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞三者之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系.

2.2 研究?jī)?nèi)容2

發(fā)展具有臨床應(yīng)用潛力的運(yùn)動(dòng)模擬物(器)等新技術(shù)新方法用于老年癡呆等退行性疾病的診療.

? 收集正常人群和老年癡呆等異常人群的日均運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),明確基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)量與代謝改善的正相關(guān)關(guān)系.采集其中部分志愿者的血液樣本進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分分析,確定上述發(fā)揮作用的營(yíng)養(yǎng)成分參與了人類基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)量的調(diào)控,并驗(yàn)證這些營(yíng)養(yǎng)是否與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān),為退行性疾病人群提出營(yíng)養(yǎng)指南.

? 利用單細(xì)胞測(cè)序等技術(shù)比較運(yùn)動(dòng)對(duì)衰老過程中血管硬化的影響以及鑒定相關(guān)調(diào)控因子,并且探索這些運(yùn)動(dòng)響應(yīng)因子在血管硬化以及血管外膜干細(xì)胞微環(huán)境的代謝調(diào)控和病理機(jī)制;利用虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)物跑球系統(tǒng)和雙光子顯微鏡等腦血管成像平臺(tái)探索神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子是否對(duì)損傷血管結(jié)構(gòu)和功能有保護(hù)作用.

? 針對(duì)老年癡呆等退行性慢性腦病,結(jié)合非侵入式太赫茲波等調(diào)控技術(shù)進(jìn)行衰老模型的功能訓(xùn)練,旨在有針對(duì)性地延緩神經(jīng)通路的退行性變化.研究運(yùn)動(dòng)/力學(xué)對(duì)血腦屏障穩(wěn)定性以及太赫茲波直接調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)的機(jī)制,從而探索具有臨床潛力的早期干預(yù)和治療慢性腦病的新技術(shù)和新方法.