双光子光学成像技术助力脑血流调控通路研究
2026-07-31 来源:本站 点击次数:162神经血管耦合是神经元活动诱发局部脑血流增加的核心生理机制，负责匹配脑区代谢需求与血液供应，其功能异常与多种神经退行性疾病密切相关，但该过程的具体细胞环路与信号传导顺序仍存在诸多争议。本研究以小鼠体感皮层的Tacr1 神经元为核心研究对象，整合光遗传学操控、在体双光子钙成像、激光多普勒血流检测及药理学干预等技术，揭示了 P 物质调控 Tacr1 神经元、经一氧化氮信号介导神经血管耦合的级联通路，明确了星形胶质细胞钙信号的次级响应属性，并定位了皮层内 P 物质的细胞来源与投射模式。
本研究由Fernanda Juarez Anaya、Jiwon Kim、Sarah E. Ross、Alberto L. Vazquez 团队完成，论文题为Substance P regulates Tacr1 neurons, which control nitric oxide–mediated neurovascular coupling in the mouse cortex，于2026年7月发表于Science Advances。
重要发现
01Tacr1 神经元通过一氧化氮信号调控脑血流
研究团队首先构建了Tacr1 神经元特异性表达光敏感通道的小鼠模型，通过光遗传学精准激活体感皮层内的 Tacr1 神经元，同时利用激光多普勒血流仪实时记录局部脑血流的动态变化。为验证一氧化氮是否为 Tacr1 神经元调控血流的核心效应分子，研究者通过慢性预埋套管向皮层内递送选择性神经元型一氧化氮合酶抑制剂。实验结果显示，该抑制剂可使胡须感觉刺激诱发的脑血流响应降低 38%，使光遗传激活 Tacr1 神经元诱发的脑血流增幅降低 40%；使用非选择性一氧化氮合酶抑制剂也得到了趋势一致的抑制效果。为排除实验制备方式的干扰，研究同时在急性开颅与慢性颅窗两种模型中开展交叉验证，并辅以本征光学成像评估血流响应的空间分布特征，证实药物对血流的抑制作用局限于注射位点附近，且抑制效应随距离增加而衰减。多种动物制备方式与血流检测手段均得到一致结论，明确了一氧化氮信号是 Tacr1 神经元介导神经血管耦合的关键介导途径。
皮层输注神经型一氧化氮合酶抑制剂可减弱Tacr1神经元诱发的血管变化
02双光子成像解析星形胶质细胞钙信号的时序特征针对神经血管耦合领域长期存在的“星形胶质细胞钙信号是否驱动血管舒张” 的争议，研究借助在体双光子钙成像技术，在清醒头部固定小鼠中实现了动脉直径变化与星形胶质细胞钙活动的同步记录。研究者通过病毒载体特异性在星形胶质细胞中表达钙指示蛋白，结合血管荧光标记方法，达成了单细胞分辨率下血管动力学与胶质细胞钙信号的同步采集。实验发现，无论是自然的胡须感觉刺激，还是人工的光遗传激活 Tacr1 神经元，均会先诱发快速的动脉舒张反应，随后才出现延迟的星形胶质细胞钙瞬变，且两种刺激下的响应峰值幅度与时间动力学特征高度相似。当将刺激时长从 1 秒延长至 10 秒时，星形胶质细胞钙信号的上升相位始终对应血管的收缩相位，且血管舒张幅度的衰减会同步降低星形胶质细胞的钙响应幅度。进一步通过抑制内皮型一氧化氮合酶阻断血管舒张后，星形胶质细胞钙信号也随之显著减弱，由此证明星形胶质细胞钙瞬变并非血管舒张的上游驱动因素，而是血管舒张 - 收缩动态变化的次级响应事件。
由Tacr1神经元激活驱动的星形细胞动态变化
03P 物质对 Tacr1 神经元活性的在体调控基于Tacr1 是 P 物质特异性受体的分子属性，研究利用双光子钙成像技术直接在活体层面观测 P 物质对 Tacr1 神经元活性的调控作用。研究者在慢性颅窗模型中通过预埋套管向皮层局部递送外源性 P 物质，同时记录 Tacr1 神经元的钙活动与邻近血管的直径变化，发现 P 物质可显著提升 Tacr1 神经元的钙事件频率，并伴随邻近动脉 12% 的舒张幅度。反之，给予 P 物质受体特异性拮抗剂后，Tacr1 神经元的自发钙活动频率降低约 49%，且胡须刺激诱发的 Tacr1 神经元钙响应幅度与血管舒张幅度均出现显著下降，对应的脑血流增幅也降低 27%。该系列结果直接在活体动物中证实，内源性 P 物质信号是维持 Tacr1 神经元基础活性与感觉诱发活性的重要调控因素，并可通过该通路间接调控局部脑血流动态。
P物质信号调节Tacr1神经元活性和血管直径
04皮层P 物质的细胞来源与神经环路解析为明确皮层中P 物质的释放来源，研究采用逆行病毒示踪技术结合免疫组化与多重荧光原位杂交，对体感皮层及全脑的 Tac1 阳性神经元进行系统定位与细胞分型。结果显示，体感皮层局部存在大量 Tac1 阳性神经元，其中约 43% 为小白蛋白阳性的抑制性神经元；原位杂交数据进一步验证，33% 的小白蛋白阳性神经元共表达 Tac1，且 Tac1 阳性细胞几乎不与兴奋性神经元标记共定位，说明局部 P 物质主要来源于小白蛋白阳性的抑制性神经元亚群。全脑范围的逆行示踪未发现皮层下的 Tac1 阳性投射，仅在嗅周皮层检测到长程投射的 Tac1 阳性神经元，该类神经元可向双侧体感皮层发出投射，且其中约 34% 同样为小白蛋白阳性。最后通过光遗传激活小白蛋白神经元结合药理学阻断实验，证实小白蛋白神经元诱发的脑血流增加可被 P 物质受体拮抗剂与一氧化氮合酶抑制剂显著削弱，从而完整验证了 “小白蛋白神经元释放 P 物质 — 激活 Tacr1 神经元 — 释放一氧化氮 — 诱发血管舒张” 的完整信号通路。
病毒标记显示Tac1阳性神经元是PV神经元的一个亚群
创新与亮点
本研究的核心创新在于构建了多模态光学成像联用的在体同步观测体系，突破了此前无法同时精准解析神经活动、血管动力学与胶质信号时序因果关系的技术瓶颈。研究将双光子钙成像、光遗传学操控与血流检测三者精准同步，实现了单细胞精度下神经- 血管 - 胶质的在体联动观测，明确了星形胶质细胞钙信号的次级响应属性，厘清了领域内长期存在的因果争议。
该成像与分析体系可直接推广至多种脑疾病模型的神经血管功能评估，为阿尔茨海默病等神经退行性疾病的早期血管功能异常检测提供了高分辨率的在体成像方案。同时，研究揭示的P 物质 - Tacr1 - 一氧化氮调控通路，也为脑血管功能紊乱的靶向干预提供了新的分子靶点，在神经血管相关疾病的机制研究与转化医学层面具备重要应用价值。
总结与展望
研究系统阐明了小鼠皮层中P 物质通过 Tacr1 神经元调控一氧化氮介导神经血管耦合的完整环路机制，明确了星形胶质细胞钙信号在该过程中的时序定位，并鉴定了 P 物质的局部与长程细胞来源。未来可进一步探索该通路在不同脑功能状态下的调控模式，以及其在神经血管相关疾病中的病理变化，为脑功能稳态维持与相关疾病治疗提供新的理论依据与干预方向。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Juarez Anaya F, Kim J, Ross SE, Vazquez AL. Substance P regulates Tacr1 neurons, which control nitric oxide-mediated neurovascular coupling in the mouse cortex. Sci Adv. 2026 Jul 3;12(27):eadx5109.
doi: 10.1126/sciadv.adx5109.