脑血流的输送依赖于多种机制，例如通过毛细血管网络传播到上游小动脉的电信号，以及用于微调局部血流的钙信号。多年来，这些机制被认为独立运作。然而，由佛蒙特大学拉纳医学院的Mark Nelson博士领导的一项新研究表明，这些系统通过电钙（E-Ca）耦合紧密相连。这一发现为理解并可能治疗中风、痴呆和阿尔茨海默病等疾病提供了新的框架，这些疾病的早期特征之一就是血流中断。
他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，题为“脑毛细血管中的电钙耦合：快速传播的电信号引发局部钙信号”。E-Ca耦合是一个过程，它整合了电信号和钙信号在脑毛细血管中的作用，以确保精确的血流输送到活跃的神经元。电信号增强细胞内钙的进入，放大局部信号并扩展其对邻近细胞的影响。
“这种依赖于活动的局部血流增加（功能性充血），由统称为神经血管耦合（NVC）的机制介导，对于正常脑功能至关重要，也是功能性磁共振成像的生理基础。”Nelson说道，“此外，包括功能性充血在内的脑血流（CBF）缺陷是脑小血管疾病（SVDs）和阿尔茨海默病的早期特征，远早于明显的临床症状。”
该研究显示，毛细血管细胞中的电超极化通过激活毛细血管内皮Kir2.1通道迅速传播，这些通道是细胞膜上的特殊蛋白质，可以检测钾水平的变化并通过细胞间传递放大电信号。这产生了一种波状的电信号，穿过毛细血管网络。同时，由IP3受体（位于细胞内储存位点膜上的蛋白质）启动的钙信号释放存储的钙，响应特定的化学信号。这种局部钙的释放通过触发血管反应来微调血流。
利用先进的成像技术和计算机模型，研究人员观察到了这一机制的实际运行情况。他们发现，毛细血管细胞中的电信号使钙活性提高了76%，显著增强了其影响血流的能力。当团队通过刺激这些细胞模拟大脑活动时，钙信号增加了35%，展示了这些信号如何通过毛细血管网络传播。有趣的是，他们发现信号在整个毛细血管床中均匀传播，确保了血流在所有区域的平衡，而不偏向任何一个方向。
“最近，UVM团队还证明，通过一种电信号的关键辅因子，可以在脑小血管疾病和阿尔茨海默病中纠正脑血流缺陷。”Nelson指出，“目前的工作表明，钙信号也可以恢复。‘圣杯’，可以说是早期恢复脑血流是否能减缓认知衰退。”
这一发现突显了毛细血管在管理脑内血流中的关键作用。通过确定电信号和钙信号如何通过电钙耦合共同工作，这项研究揭示了大脑高效地将血液导向需求最大的区域的能力。血流中断是许多神经系统疾病（如中风、痴呆和阿尔茨海默病）的标志。了解E-Ca耦合的机制为探索这些疾病的治疗方法提供了新的框架，可能开发出恢复或增强血流并保护脑健康的疗法。这一突破还提供了更深入的了解，即大脑如何维持能量平衡，这对于维持认知和身体功能至关重要。
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