**星形胶质细胞化学遗传学调控在小鼠视觉皮层引起的血流动力学与代谢反应的分离**

星形胶质细胞在维持大脑稳态与能量代谢中起着关键作用，但其对神经血管耦合和神经代谢耦合的具体贡献尚未完全阐明。特别是，星形胶质细胞活动如何参与塑造依赖于这些过程的功能性神经影像信号仍不清楚。在本研究中，研究人员通过在初级视觉皮层使用Gq偶联的设计师受体仅被设计师药物激活（DREADDs）系统，对星形胶质细胞进行化学遗传学调控，以研究其对自发性或感觉驱动的血流波动（采用功能超声成像，fUSi）以及葡萄糖摄取（采用[¹⁸F]FDG-正电子发射断层扫描，[¹⁸F]FDG-PET）的影响。研究人员发现，使用氯氮平-N-氧化物（CNO）激活星形胶质细胞Gq-DREADDs，可局部增加视觉刺激期间功能性充血的幅度以及静息态下的血管舒缩（vasomotion）幅度。[¹⁸F]FDG信号未受显著影响，但在DREADDs表达小鼠中，放射性示踪剂摄取的变化与功能性充血的变化呈负相关。研究结果证实，星形胶质细胞是感觉驱动和自发性大脑血流动力学的重要参与者，并修正了星形胶质细胞活动是[¹⁸F]FDG-PET信号主要来源的观点。此外，研究结果突显了星形胶质细胞是神经血管信号和神经代谢信号（传统上均被解释为神经元活动）之间出现差异的一个来源。

大脑的能量需求与能量供应紧密耦合，这反映在脑血流和葡萄糖消耗的变化紧密跟随脑活动的变化上。这一众所周知的现象使得无创成像技术能够用于评估脑血流动力学和葡萄糖代谢的变化，作为观察神经元活动的窗口。然而，尽管该领域研究密集，神经血管耦合和神经代谢耦合的分子和细胞基础仍然不明。对于功能性神经影像的解读而言，重要的是，多年来积累的证据表明，胶质细胞（占大脑细胞一半以上）对这些过程有重大影响，并以与神经元活动相关或不相关的方式塑造功能成像信号（Figley and Stroman 2011; Howarth et al. 2021）。数量最多的胶质细胞——星形胶质细胞，因其终足包裹着大部分血管而处于调节大脑能量需求的战略位置（Agulhon et al. 2008）。因此，多项研究证明了它们参与血流动力学（Mishra et al. 2024; Lia et al. 2023）或葡萄糖代谢（Beard et al. 2022）。更具体地说，星形胶质细胞被认为是[¹⁸F]FDG-PET信号的主要基础，该信号由谷氨酸通过GLT-1转运驱动（Zimmer et al. 2017），但这并非没有争议，因为所选的药理学方法——使用头孢曲松调节星形胶质细胞谷氨酸转运——可能缺乏细胞特异性（Dienel et al. 2018）。重要的是，对海马星形胶质细胞进行化学遗传学调控（使用在GFAP启动子下由星形胶质细胞特异性表达的Gq偶联DREADDs——仅被设计师药物激活的设计师受体）也导致[¹⁸F]FDG摄取增加（Hernández-Martín et al. 2024），但这即使在其主要葡萄糖转运体缺失的情况下也可能发生（Ardanaz et al. 2024），提供了一幅更复杂的图景：星形胶质细胞通过直接葡萄糖摄取或在特定条件下可能通过将葡萄糖摄取重定向至其他细胞类型，构成了葡萄糖代谢的显著部分。与此同时，多年研究表明，星形胶质细胞通过Ca²⁺依赖性的花生四烯酸血管活性代谢物释放或钾外流参与功能性充血（Bazargani and Attwell 2016; Filosa et al. 2006; Howarth 2014; Lia et al. 2023; MacVicar and Newman 2015; Mishra et al. 2024; Nippert et al. 2018; Petzold and Murthy 2011），其特征也很复杂（例如亚细胞区域间的空间异质性——参见Sharma et al. 2020，不同极性取决于组织状态——参见Gordon et al. 2008，以及主要影响反应的持续分量——Institoris et al. 2022）。最近，有证据表明星形胶质细胞参与静息态血流动力学，通过调节基础脑血流（Marina et al. 2020），其内在钙活动参与BOLD信号波动（Wang et al. 2018），以及对脑血管舒缩（vasomotion）——即约0.1 Hz的血管直径节律性波动——的负向或正向调节（Haidey et al. 2021; Pereira et al. 2025）。

至关重要的是，尽管脑血流和葡萄糖代谢都与神经元活动相关，但在各种条件下反复、跨物种观察到了血流动力学/代谢分离现象（Devor et al. 2008; Fox and Raichle 1986; Powers et al. 1996; Stiernman et al. 2021; Wang et al. 2024）。虽然星形胶质细胞被怀疑参与了这些差异（Devor et al. 2008），但尚未使用针对这两种过程的多模态成像直接验证该假设。为解决这一长期存在的模糊性（这对功能性神经影像的解释很重要），研究人员旨在通过使用Gq偶联DREADDs进行化学遗传学星形胶质细胞调控后，在同一小鼠中测量fUSi诱导的自发性或诱发性血流动力学变化以及[¹⁸F]FDG-PET测得的脑葡萄糖代谢，以更全面地了解星形胶质细胞在大脑能量代谢和血流动力学中的参与情况。

研究使用了16只8周龄雄性野生型C57BL/6J小鼠（8只对照，8只DREADDs组），均购自Jackson实验室。所有动物实验和饲养均符合欧盟指南（2010/63/EU指令）及法国和比利时研究部的规定。动物饲养于标准条件下（12/12小时光照-黑暗循环，自由获取食物和水，受控温度），实验前至少适应一周。研究过程中尽力保障动物福利。在DREADDs表达分析中，每只小鼠的每个大脑半球因表达差异而被单独考虑。为开展研究，主要采用了以下关键技术方法：利用腺相关病毒（AAV8）载体，在GFAP启动子驱动下，将Gq-DREADDs（hM3Dq）与红色荧光蛋白mCherry融合，注射到初级视觉皮层以实现星形胶质细胞特异性的化学遗传学调控；使用基于超快复合多普勒成像技术的临床前超声成像系统进行功能超声成像（fUSi），以高时空分辨率（100 μm，0.4 s）测量脑血容积（CBV）变化；使用Siemens PET/CT Biograph mCT系统进行[¹⁸F]FDG-PET成像，以评估葡萄糖代谢；通过免疫荧光染色（抗-GFAP、抗-NeuN、抗-mCherry抗体）验证病毒表达的细胞特异性和表达水平。样本队列来源于C57BL/6J小鼠。

**验证星形胶质细胞Gq-DREADD的表达。** 为验证Gq-DREADD在星形胶质细胞中的表达，研究人员进行了mCherry以及GFAP或NeuN的免疫染色。结果显示，mCherry标记呈现典型的丛状细胞形态，符合其在星形胶质细胞膜上的定位特征。GFAP标记在部分过程的中间区域与mCherry共定位，而NeuN标记则与mCherry明显分离，无区域相关性。严格的质控标准确保了分析仅纳入在初级视觉皮层星形胶质细胞中成功、特异性表达DREADD（或对照载体）的小鼠半球。

**星形胶质细胞化学遗传学激活局部放大了静息态血管舒缩。** 研究人员利用fUSi探究了星形胶质细胞Gq-DREADD激活对大脑自发血流动力学的影响。在静息态下，在CNO注射后约30-45分钟，在表达DREADDs的初级视觉皮层区域，观察到频率在0.15-0.25 Hz范围内的血管舒缩幅度特异性增加。该频率范围的振荡被认为是介导美托咪定（medetomidine）镇静条件下血管舒缩的“快速”形式。相反，在对照组小鼠中，CNO倾向于降低该频段的幅度。这表明星形胶质细胞Gq激活能够正向调节血管内在的振荡性活动。

**星形胶质细胞化学遗传学激活增强了视觉刺激诱导的功能性充血。** 在视觉刺激实验中，DREADDs组小鼠在CNO注射后，初级视觉皮层的平均CBV变化（功能性充血）幅度显著增加，特别是在刺激开始后5至11.8秒的早期阶段。而在对照组小鼠中，CNO注射未引起这种增强。这表明星形胶质细胞活动可以增强感觉诱发的神经血管反应。

**星形胶质细胞化学遗传学激活不改变脑葡萄糖摄取。** 研究人员在同一批小鼠的不同成像日使用[¹⁸F]FDG-PET检测葡萄糖代谢。结果显示，无论是在对照组还是DREADDs组，CNO注射后均未引起任何感兴趣区域（包括初级视觉皮层）的标准化摄取值（SUV）发生显著变化。两组间SUV变化量（CNO-VEH）的比较也无差异。这表明，在本实验条件下，星形胶质细胞的Gq激活并未直接导致局部葡萄糖代谢的增加。

**星形胶质细胞化学遗传学激活导致血流动力学与代谢反应分离。** 最后，研究人员评估了血流动力学和代谢结果之间的相关性。在对照组小鼠中，功能性充血变化与葡萄糖摄取变化之间呈不显著的正相关趋势。然而，在DREADDs组小鼠中，两者之间呈现显著的负相关关系。这意味着，在星形胶质细胞化学遗传学激活后，功能性血流增强最强的动物，其葡萄糖摄取反而趋于减少，揭示了两者之间的解耦或分离。

**讨论总结。** 本研究揭示了星形胶质细胞对功能性神经影像数据和脑能量代谢的新贡献。化学遗传学激活星形胶质细胞导致两种不同的血流动力学效应：调节自发性血管舒缩和增强刺激诱发的功能性充血。这两种效应均可与Gq-DREADD激活下游的星形胶质细胞Ca²⁺信号相关。关于葡萄糖代谢，尽管近期有研究报道海马星形胶质细胞Gq激活可增加[¹⁸F]FDG摄取，但本研究在视觉皮层未发现类似效应，突显了星形胶质细胞功能的区域异质性。值得注意的是，在DREADDs组中观察到功能性充血增强与[¹⁸F]FDG摄取减少之间的负相关，这可以用“星形胶质细胞-乳酸-神经元穿梭”假说来部分解释：星形胶质细胞激活可能增强糖酵解并产生乳酸，为神经元提供能量底物，从而减少了神经元对葡萄糖的直接摄取需求，同时乳酸可能作为血管活性物质贡献于功能性充血。本研究结果共同表明，星形胶质细胞是塑造能量底物输送和处理的重要角色，但神经元仍对[¹⁸F]FDG摄取有显著贡献。

**研究结论。** 本研究证实了星形胶质细胞在调节大脑自发性和感觉驱动的血流动力学中起关键作用，并揭示了星形胶质细胞活动是导致基于神经血管耦合和神经代谢耦合的功能性神经影像信号（传统上均归因于神经元活动）之间出现差异的一个潜在来源。研究结果为理解星形胶质细胞在脑能量代谢和血流调控中的复杂作用提供了新视角，并对功能性神经影像数据的解读具有重要影响。