一项发表在eLife期刊上的新研究发现，一种极为罕见的神经元类型充当了大脑电活动和血流的"总指挥"。宾夕法尼亚州立大学的研究人员发现，从老鼠大脑一侧移除这些特定细胞（称为I型nNOS神经元），会导致局部脑功能和两侧大脑半球之间的同步通信出现显著紊乱。
研究表明，这种稀疏分布的细胞群体在协调全脑动态中发挥着不成比例的重要作用，它们的缺失可能导致与衰老和神经退行性疾病相关的认知衰退。
大脑是一个极度复杂且耗能的器官。为正常运作，其数十亿神经元必须通过电信号持续通信，这一过程需要来自血液的稳定且精确调控的氧气和营养供应。神经活动与血流之间的这种紧密关系被称为神经血管耦合。当一群神经元活跃时，附近血管会扩张以增加该区域的血液供应，这一基本过程构成了功能性磁共振成像等现代脑成像技术的基础。
参与扩张这些血管的关键化学信使之一是一氧化氮。这种小分子由神经元一氧化氮合酶（nNOS）产生，该酶存在于称为中间神经元的特定抑制性脑细胞中。
研究人员已识别出这些细胞的两大主要类别，但由宾夕法尼亚州立大学帕特里克·J·德鲁领导的工程师与神经科学家团队聚焦于一个特别神秘的亚群——I型nNOS神经元。这些细胞极为稀少，仅占大脑皮层所有神经元的不到1%，但拥有延伸至脑部广阔区域的长分支连接。研究人员希望了解这些稀有但广泛连接的细胞执行的具体功能。
I型nNOS神经元的一个决定性特征是，它们是皮层中唯一拥有TACR1受体的细胞。该受体如同一把锁，只能被特定钥匙——P物质分子——打开。研究团队利用这一独特特性，设计了一种高特异性方法来研究这些神经元的功能。
他们通过将强效毒素皂素附着于P物质的合成版本，制造出一种"分子武器"。当这种化合物被注射到小鼠脑部小区域时，只有携带TACR1受体的I型nNOS神经元会吸收它，从而实现选择性消除，同时不损伤邻近其他细胞。
研究团队将该物质注射到小鼠的体感皮层——负责处理触觉（特别是胡须信号）的脑区。另一组对照小鼠则接受无害的乱序P物质-毒素结合物注射。
经过数周恢复期后，科学家们采用多种先进技术观察清醒活动动物的脑功能。宽场光学成像使他们能够测量大脑表面的血容量变化，而双光子显微镜则提供单个动脉扩张和收缩的放大视图。同时，植入式电极记录了神经元的集体电活动（即局部场电位）。
当研究人员向小鼠胡须吹气以模拟触觉刺激时，他们观察到大脑反应的显著变化。在缺失I型nNOS神经元的小鼠中，长时间刺激期间的持续性血流增加明显减弱。短暂刺激后，初始激增后典型的微小血容量下降则完全消失。这些结果表明，尽管这些神经元并非启动血流反应的唯一因素，但它们在塑造和维持血流响应方面发挥着重要作用。
这些神经元的消除还对大脑固有电节律产生深远影响。研究人员发现delta频带（1至4赫兹）慢波活动的强度显著降低。这些慢波在深度睡眠期间尤为明显，被认为对记忆巩固和大脑废物清除系统至关重要。delta波活动的减弱在动物清醒、安静休息或睡眠状态下均存在。
除局部效应外，研究揭示了全脑协调性的崩溃。正常情况下，大脑左右半球的对应区域表现出高度同步的活动。然而，在仅移除单侧半球的I型nNOS神经元后，这种同步性减弱。
脑部两侧的血容量瞬时波动与高频神经活动模式之间的相关性降低。这表明这些稀有神经元作为关键节点，帮助绑定两个半球，确保它们协调运作。
另一关键发现涉及大脑动脉的自发节律性搏动现象，即血管运动。这些振荡即使在无特定任务或刺激时也会发生，被认为有助于循环脑脊液并清除脑内代谢废物。在缺失I型nNOS神经元的小鼠中，静息状态血容量振荡的幅度显著减弱。动脉仍会搏动，但其节律性扩张和收缩明显变弱。
该研究包含重要考量因素。实验在神经元移除数周后进行，这可能使大脑有机会部分重组并补偿其缺失。此外，神经信号与血管反应之间的关系并非总是线性。
可能存在多条血管扩张的冗余通路，因此移除一个组分不会导致系统完全失效，特别是在强刺激期间反应可能已接近最大值。这有助于解释为何先前一些人工激活这些神经元的研究观察到极强的血管效应，而本研究在移除后仅见更细微的变化。
未来研究可能会探索丧失这些特定神经元的长期后果。由于I型nNOS神经元已知对细胞应激特别敏感，其一生中的渐进性缺失可能是年龄相关认知衰退的促成因素。通过将这一特定细胞群体与delta波、半球间通信和血管运动等基本过程联系起来，这项工作为理解大脑如何维持健康以及这些系统在疾病中如何失效开辟了新途径。
该研究《I型nNOS神经元协调皮层神经活动与血管运动》由凯文·特纳、达科塔·布罗克韦、Md·沙卡瓦特·侯赛因、基思·格里菲斯、丹佛·格林沃特、张庆光、凯尔·格赫雷斯、妮可·克劳利和帕特里克·J·德鲁共同完成。
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