뇌 온도의 양방향 변화는 시공간 신경 혈관 반응을 근본적으로 조절합니다.

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 185(2023) 이 기사 인용

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신경혈관 결합(NVC)은 알려진 기능과 잠재적인 중요한 기능 중에서 활성화된 뇌 영역에 산소와 포도당이 적절하게 공급되도록 보장하는 메커니즘입니다. 이 생물학적 현상은 비침습적 관류 관련 신경 영상 기술을 뒷받침하며 최근 보고서는 여러 신경퇴행성 장애에서 NVC 손상을 암시합니다. 그러나 건강과 질병의 NVC에 관해 아직 알려지지 않은 부분이 많이 남아 있으며, 최근에야 뇌 열역학과 긴밀한 상호 작용에 대한 인식이 급증하고 있습니다. 따라서 우리는 대뇌 피질의 온도를 체계적으로 조절하고 감각 유발 NVC의 시공간 역학을 조사하기 위한 새로운 다중 모드 접근 방식을 개발했습니다. 우리는 대뇌 피질 온도의 변화가 산소 전달 감소와 관련된 낮은 온도와 뚜렷한 혈관 진동을 유발하는 높은 온도로 NVC를 심오하고 복잡하게 조절한다는 것을 보여줍니다. 이러한 관찰은 뇌 온도 관련 치료법, 뇌 온도 상승의 기능적 바이오마커 및 신경혈관 결합을 연구하기 위한 생체 내 방법에 대한 중요한 의미와 함께 NVC와 뇌 열역학 사이의 관계에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다.

신경혈관 결합은 산소와 포도당을 활성화된 부위로 전달, 노폐물과 대사 부산물 제거, 신경면역 수송, 뇌 온도 조절을 포함하여 건강한 뇌에서 수많은 중요한 기능을 유지하는 필수적인 항상성 메커니즘입니다1. 보존된 신경혈관 커플링은 혈중 산소 수준 의존적(bold) 기능적 자기 공명 영상(fMRI)2과 같은 관류 관련 신경 영상 신호로부터 신경 활성화의 추론을 뒷받침하는 근본적인 가정입니다. 손상된 신경혈관 결합은 최근 특별한 관심을 불러일으켰으며, 최근 보고서에서는 결함이 알츠하이머병과 같은 신경퇴행성 질환의 진행 및 시작에 핵심적인 역할을 하는 것으로 암시하고 신경혈관 결합의 잠재력을 강조하고 있습니다. 단위 적자는 치료를 위한 새로운 표적이자 초기 질병의 민감한 바이오마커입니다.

뇌 온도는 대뇌 대사, 혈류 및 심부 체온 사이의 복잡한 상호 작용에 의해 조절됩니다. 건강한 사람의 경우 대사율 증가로 인해 활성화된 뇌 영역에서 생성된 열은 활동 중에 심부 온도 혈액의 유입으로 소산됩니다. 충혈6,7. 반면, 뇌 온도의 병리학적 변화는 신경퇴행성 질환, 간질, 뇌 손상 및 뇌졸중을 포함한 여러 장애에서 중요한 특징으로 점점 더 인식되고 있습니다8,9. 나이에 따른 뇌 대사 감소는 뇌 온도의 감소와 관련이 있으며10 파킨슨병 환자의 뇌 온도 감소는 미토콘드리아 생물 발생의 손상으로 인해 발생하며11,12 미토콘드리아 질환 환자는 산화적 인산화 결함으로 인해 뇌 저체온증을 보입니다13 . 뇌졸중 후 발열(발열증)은 이환율 및 사망률의 증가와도 관련이 있으며14 외상성 뇌 손상 후 자주 관찰되며15 신경학적 중증도 및 중환자실 입원 기간 증가와 관련이 있습니다16. 발작 활동 중에 뇌 온도의 상승이 동시에 관찰되며17,18 발열 유발 발작은 발달 중 가장 널리 퍼져 있는 병리학적 뇌 활동이며, 내측 측두엽 간질이 있는 성인 환자의 불균형한 수는 어린 시절 열성 발작을 경험했습니다19,20. 이러한 보고서 및 기타 보고서는 신경 질환 결과를 개선하기 위한 치료 전략으로 뇌 온도를 조작하는 데 최근 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 그러나 임상 연구에서는 최적의 중재 프로토콜에 대한 합의가 부족하여 잠재적으로 혼합된 성공이 보고되었지만21,22,23 ,24. 뇌 온도의 변화가 산소에 대한 헤모글로빈의 친화도(따라서 혈중 산소 포화도)7, 혈액뇌관문 투과성25, 뇌혈류 및 신경대사율과 같은 혈관 관련 반응을 변화시킨다는 실질적인 증거가 있지만18, 신경혈관 커플링의 시공간적 진화에 뇌 온도가 미치는 영향에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 이 중요한 연구 격차를 해결하는 것은 (1) 뇌 온도의 병리학적 변화가 어떻게 다양한 뇌 장애의 불리한 임상 결과를 악화시키는지 설명하고, (2) 뇌 온도 조절에 기초한 합리적이고 효과적인 치료 접근법을 개발하고, (3) 뇌 온도 조절을 가능하게 하는 데 중요합니다. 건강과 질병의 기본 신경 활성화 측면에서 굵게 표시된 fMRI 관련 신호를 보다 정확하게 해석합니다.

4 s seconds relative to responses under elevated temperatures (Fig. 3d). Thus, evoked Hbt responses under cool cortical temperatures (12–15 oC) were markedly delayed, diminished in amplitude, and, with respect to Hbr, displayed a surprising early increase in concentration (i.e. a ‘deoxy-dip’) that was more sustained than would be typically expected due to washout and which was observed at higher cortical temperatures (Fig. 3b, see insets and also Table 3 for comprehensive statistics). Statistical analyses revealed a significant effect of temperature on the magnitude of the ‘deoxy-dip’ (single factor ANOVA, 2 s, F = 7.006, df = 6, p = 7.2 × 10−5; 16 s, F = 11.63, df = 6, p = 4.0 × 10−7, see also supplemental Table 3 for comprehensive statistics) and this was manifest as an overall inverse relationship, such that the ‘deoxy-dip’ magnitude increased with a reduction in cortical temperature (Fig. 3e). Taken together, these results demonstrate that changes in brain temperature dramatically modulate the magnitude and timing of hemodynamic responses in a predominantly non-linear manner during sensory processing./p>