美国南加州大学凯克医学院马克与玛丽·史蒂文斯神经影像与信息学研究所（Stevens INI）的研究人员开发出一种无创方法，可以考察在活体人脑中，血流分布与细胞构筑在皮层各层上的吻合程度。他们提出的新指标名为脑血流—胞体染色强度相似性指数（cerebral blood flow–cell-body staining intensity similarity index，CCSI）。相关论文近日发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。
这一指标或有助于科学家理解血管、细胞和产能机器如何协同工作，以支撑大脑功能。
大脑皮层是脑的褶皱外层，其不同分层所含细胞的数量和类型各不相同。这些细胞需要持续获得氧气和养分，但此前研究人员缺少合适的工具，来研究活体脑中血流供应与细胞分布之间是否匹配。
"大脑几乎没有储存能量的能力，所以脑细胞依赖血流持续而受到精细调控的供应。"论文共同第一作者、Stevens INI研究人员Fanhua Guo说，"我们的新指标提供了一条途径，可以研究在皮层的不同部位，这种能量供应在位置上与细胞需求匹配得如何。"
研究采用了动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）技术。这是一种无创磁共振成像方法，通过磁化标记血液中的水分子并追踪其进入脑组织的过程来测量血流。研究使用7特斯拉高场磁共振扫描仪，以1立方毫米的分辨率测量了全脑血流。
研究共纳入30名健康成年人，其中14人接受了第二次扫描，用以检验测量结果的一致性。
研究团队将皮层划分为360个脑区，考察了多个深度上的血流，并将这些模式与BigBrain的胞体染色数据作比较。BigBrain是一个精细的人脑三维数字重建，描绘了整个皮层中细胞堆积的疏密程度。
"常规脑成像往往把信息在皮层的整个厚度上取平均，但皮层并不是一张均匀的薄片。"论文共同第一作者、Stevens INI研究人员Chenyang Zhao说，"通过以极高分辨率成像血流，我们可以开始看到灌注是如何从皮层外表面向深层变化的。"
Stevens INI博士后研究员Ravi R. Bhatt表示："神经科学正在进入这样一个时代——我们可以把先进的脑成像，与关于脑细胞、基因表达和代谢的精细图谱结合起来。每一张图谱提供的是大脑的一个侧面，合在一起则会显露出原本隐藏的模式。"
CCSI衡量的是，沿皮层深度方向，血流与细胞密度在多大程度上遵循同一种变化模式。分数越高，意味着细胞越密集的层往往获得越多的血流。
结果显示，在大多数皮层区域，血流与细胞构筑是吻合的——也就是说，在某一给定脑区内部，血流往往在细胞最多的层里最高，不过吻合的强弱在全脑范围内存在差异。吻合程度最高的是初级视觉区和感觉运动区，这些区域与视觉、运动和触觉有关。
为弄清CCSI在生物学上究竟代表什么，研究人员将其与线粒体活性、细胞类型和基因表达的图谱作了比较。
线粒体负责把养分和氧气转化为可利用的能量。血流与细胞构筑吻合更强的脑区，其线粒体呼吸能力——即线粒体产能的最大速率——也更高，提示这些区域或许更有能力满足局部的能量需求。
这种关联涉及的是线粒体的能力，而不只是线粒体的数量。总血流量未表现出同样的关联，提示CCSI揭示出的是常规血流测量可能遗漏的代谢组织特征。
"血流告诉我们有多少血液到达某个区域，但它不告诉我们这些供应相对于需要它的细胞是如何分布的。"论文资深作者、通讯作者，Stevens INI神经病学教授、成像技术创新主任Danny JJ Wang说，"CCSI补上了这块缺失的空间信息，或许能为血管供应如何支撑皮层各层的能量消耗，提供一幅在生物学上更有意义的图景。"
CCSI还与毛细血管内皮细胞相关联。这类细胞衬在最细小的血管内壁，参与调节血液如何抵达周围组织。
它同时与成熟少突胶质细胞相关联。少突胶质细胞负责生成包裹神经纤维、起保护作用的髓鞘。由于它们还为神经纤维的代谢提供支持，这一发现提示，它们可能在血管供应与神经元能量需求之间起到连接作用。
基因活性分析进一步把CCSI与能量代谢、血管发育、血管组织结构以及线粒体的健康状态联系起来。综合来看，这些结果提示，血流与细胞结构之间的吻合，反映的是一个由血管、支持细胞和能量生产共同构成的协调系统。
研究人员还追问，CCSI能否帮助解释脑结构与脑功能之间的关系。这种关系在感觉和运动区通常比较紧密，但在支持记忆、推理和注意的高阶联合皮层中则不那么直接。
他们采用结构—功能耦合分析进行检验，即根据皮层的结构特征预测脑功能。加入CCSI后，模型对上述高阶脑区功能的预测能力显著提高。这一结果提示，代谢和血管因素以细胞结构本身无法解释的方式塑造着脑功能。
"这项研究打通了大脑组织的多个层次，从血管、线粒体一直到细胞、皮层分层和基因表达。"Stevens INI主任Arthur W. Toga说，"通过把这些信息来源汇集到一起，研究者创建了一个新框架，用以探究活体大脑如何支撑其惊人的能量需求。"
这项研究也有局限。它并未证明吻合程度更强会导致能量利用更高效；其分子和细胞层面的比较依赖于来自数量有限的尸检捐献者的参考图谱；CCSI目前衡量的是群体而非个体。后续研究将在更大、更多样的人群中检验，并探索与衰老以及神经或精神疾病相关的变化。
血流、代谢和少突胶质细胞功能的紊乱，出现在阿尔茨海默病、多发性硬化、精神分裂症和癫痫中。CCSI最终或许能帮助研究人员考察这些系统是如何"脱节"的。
"理解血管供应与细胞构筑之间的健康关系，是重要的第一步。"Stevens INI神经病学与生物医学工程教授Neda Jahanshad说，"长期目标是弄清这一关系的变化能否揭示疾病的早期征象，或者帮助我们评估那些旨在恢复脑代谢和血管健康的治疗。我们希望，CCSI最终能为疾病早期征象和潜在治疗提供线索。"
参考文献：Fanhua Guo et al, Assessing molecular, cellular and transcriptomic bases of laminar perfusion and cytoarchitecture coupling in the human cortex, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-76812-w
编辑：王洪
排版：李丽
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