在誕生了幾十億年的地球上，生命與生命之間，冥冥之中，發生著無獨有偶的連接。冬日紛紛落葉上的脈絡，竟與顯微鏡下熒光染色的大腦平面圖發生了重疊。輸送養分、支撐葉片，看似無序，實則內含玄機；而大腦遠比葉脈更為復雜、更為精妙，神經元、血管、膠質細胞……這些千絲萬縷的結構，在一呼一吸之間，發生著什么樣的連接，傳遞著什么樣的信號？

圖片來源：賈潔敏實驗室助理研究員李金澤

2024年元旦假期后的第一天，神經科學權威期刊Nature Neuroscience刊登了西湖大學生命科學學院賈潔敏團隊的最新研究成果“Synaptic-like transmission between neural axons and arteriolar smooth muscle cells drives cerebral neurovascular coupling”，他們發現了一座橫架在神經元與血管之間的“新橋梁”——“類突觸連接（NsMJ）”——通過它，谷氨酸能神經元可以直接作用于動脈血管平滑肌細胞，導致動脈舒張，誘發大腦功能性充血。

這一發現是對現有腦血流調控機制的進一步完善和補充，也是對實現腦血流快速和精準調控的一個全新認知，為臨床上有效治療缺血性低灌注損傷提供了潛在策略。

論文截圖

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41593-023-01515-0

發現 連接神經元與血管的新橋梁

大腦的復雜精密，導致了其研究進展勢必是漫長的。

神經元（Neuron）,這一名詞誕生于100多年前，而直到七十年前，喬治·埃米爾·帕拉德和桑福德·路易斯·帕雷等科學家利用透射電子顯微鏡，拍攝到了神經元的電子圖像，才真正看到了神經元之間進行信息傳遞的特殊“連接”結構。

這樣的連接意味著什么？如果把神經元比作大樹，那么這顆大樹上有兩個最重要的分枝——樹突和軸突，樹突接收信號，軸突發出信號，不同神經元的軸突與樹突的連接，組成了“突觸”——神經元之間在功能上發生聯系的部位，也是信息傳遞的關鍵部位。

神經元傳遞信息，勢必需要能量供給，能量從哪里來？答案藏在長達10萬英里的血管中，血液可以為大腦提供葡萄糖和氧氣，同時排出代謝廢物和二氧化碳。

那么，神經元與血管間該如何對話？換句話說，大腦如何快速和精準地告訴血管及時為其提供能量？當大腦血供出現異常時，我們又該如何調節腦血供，來治療這些腦血管疾病？

生命科學學院的賈潔敏團隊長期從事大腦中神經與血管之間相互作用的研究，他們對此展開了長達6年的深入探究。

已有研究表明，神經元可以作用于神經膠質細胞繼而調節血管血流，但是這種調節過于復雜，證據也不充分，于是，他們思考，或許除了這種間接的調控方式，會不會有一種直接的調控方式？

結構決定功能，基于結構探索功能。想要了解一個事物的功能，第一步就是要先“看清”它的全貌。

通過大體積三維掃描電鏡和光電聯合技術，賈潔敏團隊全面地解析了小鼠軀體感覺皮層中約480 μm長的穿支動脈血管及血管周圍腦組織細胞的超微結構。他們發現，星形膠質細胞終足對穿支動脈的包裹率并不是100%，反而存在“漏洞”。這些漏洞使得腦內其他細胞的亞細胞結構（如小膠質細胞突起、神經元胞體、樹突和軸突），可能可以直接與血管進行信息交流。也就是說，血管并非被終足全部包裹，神經元很有可能穿過這些裸露的部分，與血管直接“對話”。

對話不可能憑空產生，勢必有一個中介，或者說，載體。

從樣本制備、采集數據到分析數據，賈潔敏團隊花了近三年的時間終于看清，血管周圍神經元的軸突含有子母突觸前，母突觸前與神經元的樹突脊形成經典的突觸，同時子突觸前穿過星形膠質細胞終足的漏洞，插入血管平滑肌細胞外圍的基底膜，與血管平滑肌細胞形成“類突觸”，他們首次將這一結構定義為NsMJ，從而傳遞一個新認知：神經元除了和骨骼肌之間會形成經典NMJ（神經肌肉接頭）外，也會與血管平滑肌形成類突觸。

第一次，賈潔敏團隊看清了神經元與血管之間存在一座從來沒有發現過的“新橋梁”。

圖1：神經元與動脈血管平滑肌細胞之間形成一種“類突觸（NsMJ）”。

然而，眼見不一定為實，這座連接神經元與血管平滑肌細胞的新橋梁，是否真正承擔了信息傳遞功能？還是只是一個沒有任何功能的“裝飾品”？

接下來的驗證是個艱難的過程，賈潔敏團隊整整耗時3年去設計和完成各項實驗。

驗證 類突觸可調節大腦血管收縮舒張

實驗第一步，研究血管平滑肌細胞是否具有接收神經遞質信號的信號接收器。

結合細胞純化和測序、免疫組化驗證以及鈣成像和電生理記錄等多種技術，研究團隊發現，腦內血管平滑肌細胞能表達多種神經遞質受體，其中就包括通透鈣離子的谷氨酸神經遞質的受體NMDAR（圖2）。

圖2：功能性GluN1富集在類突觸后的血管平滑肌細胞上。

一般神經遞質的受體僅在神經元上出現，為什么會出現在一個非神經元的血管壁細胞上呢？這是否意味著神經元分泌的神經遞質可以與血管壁細胞上的受體結合，繼而調節血管？研究團隊猜測，谷氨酸可能是通過類突觸連接直接調節血管平滑肌細胞的狀態，進而引發動脈的舒張或者收縮。

實驗第二步，整體水平精確瞄準激活谷氨酸能軸突，激活類突觸的突觸前膜，驗證上述的猜測。

目前，化學遺傳學和常規光遺傳學，都無法精準激活單個神經元胞體，更別提激活比其直徑小幾十倍之差的神經元局部的樹突和軸突。賈潔敏團隊創新雙光子光遺傳學，開創了顱內單根軸突和樹突光遺傳學激活，并且同時跟蹤靶向動脈的直徑變化，進而研究“新橋梁”在整體水平對腦血流的調控能力。這打破了絕大多數實驗室依賴已喪失血流血壓的“腦片”實驗體系，首次將單根軸突激活和真實的血流相結合。

研究團隊發現，特異性激活類突觸前的谷氨酸能神經元軸突，可以誘發動脈血管舒張，直徑增大近15%。隨后，在動脈血管平滑肌細胞中敲除谷氨酸神經遞質受體，干預“新橋梁”連接功能，動脈的舒張被顯著抑制。進一步，通過經典胡須刺激實驗，結合多種轉基因敲除工具鼠，再次干預類突觸的信息傳遞，神經支配的功能性充血被大部分抑制。研究團隊由此推斷， 在整體水平，“新橋梁”類突觸NsMJ，是大腦功能性充血的主要機制之一。

此后，賈潔敏團隊繼續推進實驗，完整揭示了“類突觸NsMJ”影響動脈血管收縮舒張的分子機制：即突觸前的谷氨酸神經元釋放了谷氨酸神經遞質，通過“類突觸”，作用于動脈血管平滑肌細胞上它的受體，谷氨酸神經遞質受體又與鉀離子通道（BK）形成了復合物，又進一步誘發了鉀離子通道的活化，導致了血管的舒張（圖3）。

圖3：類突觸是大腦功能性充血的重要貢獻者

至此，從現象、結構、功能、分子機制等多方面，賈潔敏團隊證實了神經元與動脈血管平滑肌細胞之間的類突觸可調節大腦血管收縮和舒張。

意義 為研究大腦缺血造成的損傷提供新的研究思路

歷時六年，賈潔敏團隊發現了一條神經元調控大腦血流的新路徑，那么，這條新路徑對于腦血管性疾病，如腦卒中（一種血管源性障礙而引發腦血流異常的疾病），又有怎樣的影響和調節作用呢？

最后一步的實驗，為這一項研究作了完美的收尾。研究團隊驗證：在高濃度谷氨酸灌注刺激下，血管平滑肌細胞會大量去極化，血管因此急性收縮，產生了動脈毒性，導致二次缺血；而通過特異性敲除動脈平滑肌細胞上受體NMDAR亞基GluN1，可以緩解動脈毒性和后續的腦萎縮程度，增強了小鼠的運動恢復，降低了死亡率（圖4）。

圖4：動脈平滑肌細胞上表達的谷氨酸NMDA受體介導了興奮性毒性對動脈的二次損傷及其神經損傷

綜上，通過嚴謹的實驗和分析，賈潔敏團隊揭示了大腦中神經元與動脈血管平滑肌細胞之間存在的“類突觸（NsMJ）”。該研究從超微結構組成、分子富集特性、體外和體內的功能體現，以及疾病發生發展等方面，對這種類突觸信息傳遞進行了深入探討。這些發現為深入理解大腦的血供機制提供了新的視角，并為開發針對此類連接的腦卒中治療策略提供了新的思路。

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）

“西湖一期”博士生張冬冬與他的導師賈潔敏，都是最早一批加入西湖大學的人。花費6年時間，專注在這個課題上，張冬冬坦言，確實存在很大的壓力，但是正如神經元與血管之間必然存在著連接一樣，他們堅信，堅持與收獲之間，應該也存在著一些冥冥之中的連接。

西湖大學生命科學學院特聘研究員賈潔敏為論文通訊作者，西湖大學2017級博士研究生張冬冬為本文第一作者。第二作者為博士研究生阮家宇，他負責了分子表達驗證實驗和小鼠交配策略制定和管理工作，為項目的穩定推進做出了不可或缺的貢獻，講席教授許田實驗室彭詩宇副研究員在電生理記錄方面為項目推進做出了重要貢獻，四位博士研究生胡旭、李旭召、李廷波、周麗麗，兩位助理研究員李金澤和朱珠，參與了部分研究工作。臨床樣本研究是與復旦大學附屬華山醫院神經外科吳勁松主任和李文生團隊合作完成。該工作得到了西湖大學生命科學學院講席教授許田，北京腦科學與類腦研究所高級研究員戈鵡平、研究員孫文智的大力支持。本項目獲得了國家自然基金委、西湖實驗室以及西湖教育基金會的資助；項目實施過程中得到了西湖大學顯微成像平臺、高性能計算中心、流式平臺以及實驗動物中心的大力支持。