مغز ما چه میزان اکسیژن مصرف می‌کند؟

یکی از شاخص‌های مهم فعالیت مغز، میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن(CMRO۲) است که نشان می‌دهد مغز در هر لحظه چقدر انرژی مصرف می‌کند. از آنجایی که میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن، یک شاخص اساسی آسیب شناسی بافت تحت شرایط پایدار مانند موارد ناشی از سرطان، آسیب مغزی تروماتیک و سکته است، تعیین کمیت مستقیم میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن یک هدف اساسی در نورولوژی است. علاوه بر این، نظارت پویا بر آن در طول فعالیت عصبی می‌تواند مکانیسم‌های متابولیکی را که زیربنای پاسخ‌های عملکردی مغز هستند، روشن کند.

برخی از روش‌های فعلی به ارائه اطلاعات در مورد زمان نسبی رویدادهای متابولیک و پاسخ‌های عروقی نیاز دارند. اخیرا محققان دانشگاه پنسیلوانیا یک رویکرد نوری جدید برای درک بهتر میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن در طول فعالیت مغزی ایجاد کردند. این روش از دو کاوشگر فسفرتابی درشت‌مولکول(macromolecular phosphorescent probes) استفاده می‌کند که با موفقیت برای نظارت بر زمان واقعی میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن و جریان خون مغزی(CBF) در یک مدل حیوانی بالینی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این روش به طور مستقیم گرادیان اکسیژن در مغز را اندازه گیری می‌کند. گرادیان اکسیژن با تفاوت در غلظت اکسیژن بین شریان‌های خونی مغز(داخل عروقی) و ناحیه اطراف سلول‌های مغز(برون عروقی) تعیین می‌شود. هنگامی که سلول‌های مغز از نظر متابولیکی فعال‌تر می‌شوند و به اکسیژن بیشتری نیاز دارند، این گرادیان تندتر می‌شود. بنابراین، میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن ممکن است با استفاده از این گرادیان که همچنین حاوی اطلاعاتی در مورد میزان اکسیژن مصرفی است، محاسبه شود.

پروفسور "سرگئی ای وینوگرادوف"(Sergei A. Vinogradov) محقق اصلی این مطالعه، گفت: بیشتر رویکردهای فعلی برای ردیابی دینامیکی میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن بر اساس اندازه‌گیری اشباع اکسیژن هموگلوبین و جریان خون مغزی است، به طوری که دینامیک میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن به طور ذاتی با پویایی جریان خون مغزی مرتبط می‌شود. ما می‌خواستیم روشی عاری از این محدودیت ایجاد کنیم.

گام مهم، یافتن روشی برای سنجش تفاوت بین سطوح اکسیژن خارج عروقی و داخل عروقی به طور همزمان بود. یک کاوشگر فسفرتابی به نام Oxyphor PtR۴ در خون قرار داده شد و Oxyphor PtG۴ مستقیماً در ناحیه بین عروق خونی قرار داده شد. از آنجایی که دو Oxyphors رنگ‌های متفاوتی دارند، محققان می‌توانند همزمان سیگنال‌های هر دو کاوشگر را با وضوح زمانی هفت هرتز با استفاده از دو لیزر مجزا اندازه‌گیری کند.

آنها محاسبه و ردیابی لحظه‌ای میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن را در طی تحریک عملکردی مغز با استفاده از این روش در یک مدل پیش بالینی نشان دادند. محققان همچنین جریان خون مغزی را به طور همزمان با میزان متابولیسم مغزی مصرف اکسیژن با استفاده از لیزر سوم و تکنیکی به نام تصویربرداری کنتراست لکه لیزری با موفقیت اندازه‌گیری کردند.

پروفسور سرگئی ای وینوگرادوف، محقق اصلی این مطالعه، گفت: طرح ما فرصتی را برای مشاهده تغییرات در متابولیسم مغز در زمان واقعی به طور مستقیم و مقایسه همزمان پاسخ‌های عروقی با پاسخ‌های متابولیسم ارائه می‌دهد. همانطور که فناوری توسعه می‌یابد، ما پیش‌بینی می‌کنیم که این روش برای آزمایش داروها و سایر عوامل متابولیسم مغز به طور گسترده در دسترس باشد. این باید امکان بررسی دقیق‌تر مدل‌های متابولیسم را فراهم کند.