這是一檔關注“生命科學行業(yè)變化”的專題欄目。我們將從合作伙伴入手，每一期研究和解讀一家科研機構(gòu)或科研課題組、實驗室的背后故事、相關方法論、使用的工具等等，幫助科研從業(yè)者獲得啟發(fā)和思考。

不久前，西湖大學賈潔敏團隊在Nature Neuroscience期刊上發(fā)表題為Synaptic-like transmission between neural axons and arteriolar smooth muscle cells drives cerebral neurovascular coupling的研究論文，該研究證實單個谷氨酸能神經(jīng)元軸突通過神經(jīng)-小動脈平滑肌細胞(arteriolar smooth muscle cells, aSMCs)連接之間的突觸樣傳遞來擴張其支配的小動脈。這一發(fā)現(xiàn)揭示了神經(jīng)元與腦血管直接對話的一座“新橋梁”，也為理解腦血流的快速和精準調(diào)控提供了一個全新的認知。
 

本期【沃的研究所】，我們將對話文章的第一作者張冬冬博士，一起了解神經(jīng)血管耦合的機制。

沖破歷史研究，
為腦血流調(diào)節(jié)機制提供全新認知

血液供應為大腦中的神經(jīng)計算提供能量，計算活動的波動會在數(shù)秒內(nèi)引起局部腦血流(cerebral blood flow, CBF) 的相應變化，這一現(xiàn)象稱為神經(jīng)血管耦合(Neurovascular coupling, NVC)。NVC功能受損，可導致腦微循環(huán)缺血缺氧，影響局部神經(jīng)信號傳導，引起并加重腦小血管疾病，甚至造成認知功能障礙、癡呆等。

由于大腦的代謝神經(jīng)元活化是需要能量的，且本身不能儲存能量，所以這些能量主要來源于血液供給。張冬冬博士說道，“既然血液供給對于大腦活動如此重要，那么神經(jīng)元活化后是如何將信息傳遞給血流的？”這成為了研究團隊進行實驗探索的出發(fā)點。

事實上，雖然神經(jīng)元活化對血流的調(diào)控機制已經(jīng)有130多年的研究歷史，但是對相關機制的探索研究目前仍處于探索階段。“神經(jīng)元活化如何去調(diào)節(jié)腦血流？這個過程中傳遞了哪些信息？什么時候來傳遞這個信息？是否還存在已知調(diào)節(jié)機制之外的其他未知機制來調(diào)節(jié)血流呢？”張冬冬博士在談及實驗初衷時提到，“對于神經(jīng)血管耦合，我們能做的還有很多。”

采用先進設備，用時間沉淀成果

為了探究大腦神經(jīng)元活化調(diào)節(jié)血流的結(jié)構(gòu)基礎，研究團隊利用了大體積三維掃描電鏡和光電聯(lián)合技術(shù)，通過三維掃描電鏡成像，解析出整個動脈以及動脈周圍腦組織其他細胞之間空間上的關聯(lián)。

科學探索，路漫漫而長遠。

張冬冬博士從2017年便開始了該項實驗研究，歷經(jīng)6年時間才有了今天的成果。“結(jié)構(gòu)決定功能”，而在對動脈與周圍血管組織、細胞間的結(jié)構(gòu)探討這一過程中，他不禁感慨：“我們采集了近30個T的電鏡數(shù)據(jù)，并且還要再繼續(xù)分析重構(gòu)腦組織、細胞超微結(jié)構(gòu)以及血管結(jié)構(gòu)。僅在這個過程，前前后后就花費了兩三年的時間，工作量特別大。”

在該項實驗中，終足對于穿支動脈的包裹率，是全世界首次進行解析。張冬冬博士介紹道，通過三維電鏡掃描，他們發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞終足對穿支動脈的包裹率并不是100%，反而存在“漏洞”。血管周圍神經(jīng)元軸突的子突觸前會穿過這些漏洞，直接與動脈血管形成物理連接。這一結(jié)構(gòu)為神經(jīng)元與血管之間的對話提供了一座前所未見的“新橋梁”。

在功能基礎驗證過程中，研究團隊用到了瑞沃德激光散斑血流成像系統(tǒng)，張冬冬博士表示，通過使用該儀器，能夠大范圍看腦血流的變化，從而發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元軸突末端跟動脈循環(huán)細胞之間形成的連接，可以調(diào)節(jié)血流以及調(diào)節(jié)動脈的舒張。

研究團隊用到瑞沃德激光散斑血流成像系統(tǒng)來監(jiān)測血流變化

“非常感謝瑞沃德激光散斑血流成像系統(tǒng)，這成為了我們實驗過程中探究生理功能上腦血流變化的一個非常重要的儀器，幫助到我們很多”。

除此之外，在研究團隊的實驗室中還能見到不少瑞沃德其他產(chǎn)品的身影，比如手術(shù)器械、腦立體定位儀、移動式呼吸麻醉等。“這些產(chǎn)品用下來感覺都很好”，張冬冬博士再一次對瑞沃德產(chǎn)品給予了認可，并對其中一些產(chǎn)品的優(yōu)化方向也提出了寶貴建議。

西湖大學實驗室瑞沃德散斑

不懼失敗，講究方法，
科研是人生的一種選擇

2017年，那時的西湖大學叫做浙江西湖高等研究院，張冬冬博士是當時的第一批博士研究生。而在這之前，他在碩士時期的研究方向是中風，這和當時西湖大學生科院里五位PI中賈老師的研究方向最匹配，考慮到將來的研究方向和個人發(fā)展，他順利地加入了賈老師課題組。

“當時加入，賈老師并沒有要求我要待幾年，而是和我強調(diào)博士期間你有了什么樣的科學發(fā)現(xiàn)，你能解決什么科學問題，你能給領域甚至是社會帶來什么價值，這些才是最重要的。”

張冬冬博士深受賈老師啟蒙。“所以，就這樣，我成為了賈老師的第一個學生。”

該研究成果第一作者2017級博士研究生張冬冬（左）與導師賈潔敏（右）合影（攝于2017年）

科研需要投入大量時間、經(jīng)歷去進行一些重復性的工作熱情，需要保持足夠的興趣，高度的專注，才能有所收獲。張冬冬博士內(nèi)心也早已明確自己選擇科研，堅持讀博是為了享受科學探究帶來的快樂。“原本博士三年我就可以發(fā)一篇文章然后順利畢業(yè)，但我依然選擇堅持做到5年，至今7年。正如賈老師當時所言，相比博士畢業(yè)，博士期間研究的課題有什么樣的意義才更重要。”

說來，還是內(nèi)在驅(qū)動力，讓張冬冬博士自始至終都堅定信念，對科研路上的困難和挑戰(zhàn)甘之如飴。

“從事科研，首先你要問自己為什么要做科研，是否對它感興趣。”張冬冬博士并不屈于日復一日重復枯燥的實驗與工作，而探索未知，滿足好奇心正是他覺得科研充滿樂趣所在。“其次，科學實驗必定存在著失敗，你抱著什么樣的心態(tài)面對失敗這很重要,一定要有一種在失敗中站起來的勇氣。”科研路上，勇于面對失敗，才能走向真正的成功。

由于張冬冬博士是賈老師的第一個學生，加上那時的西湖大學很多平臺都還沒有建立起來，所以大部分實驗都是他自己在進行探索。提及當時一些陌生的實驗手段和技術(shù)，他也非常感謝專業(yè)人員給予的幫助。“遇到困難時，很重要的一點，就是一定要學會向一些領域內(nèi)的專家虛心請教。即便你是從零開始，也會更有利于你去解決一些問題。”對于如何克服實驗過程中的失敗與困難，張冬冬博士也和我們分享著他自己的經(jīng)驗。

經(jīng)過時間的沉淀和個人的努力付出，張冬冬博士在自己的研究領域下也有了不少收獲，對于從事科研有著自己的見解。當被問及目前血管神經(jīng)耦合領域比較有潛力的研究方向，他繼續(xù)和我們分享。

神經(jīng)血管耦合機制有著漫長的130多年的研究歷史，在這期間，大家一直在問同一個問題——神經(jīng)元是如何調(diào)節(jié)神經(jīng)血管耦合的機制。“但更深層次之下，神經(jīng)元耦合除了調(diào)節(jié)能量的代謝之外，它是否具備調(diào)節(jié)一些其他生理行為的功能？這是一個非常有意思的研究方向。”“神經(jīng)元活化可以調(diào)節(jié)血流，那么反之，血流的改變是否可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元的一些功能呢？這也是賈老師課題組關注的另一個有意思的方向。”

科研之路，道阻且長，唯行則將至。期待張冬冬博士在自己專注的領域繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱，為行業(yè)乃至社會帶來更大的價值。

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