微透析在恒河猴大脑研究中的应用：不同认知状态下神经递质的新发现

神经递质系统通过直接或间接调控神经元活动，在认知和行为过程中发挥关键作用。非人类灵长类动物（NHPs）研究因缺乏可靠测量多种神经递质的方法，难以捕捉这种复杂性。微透析（Microdialysis，MD）技术可在体内测量脑组织中多种分子浓度，但在 NHPs 应用较少。该研究旨在开发一种新型半慢性微透析技术，结合高灵敏度分析手段，实现在清醒NHPs中多神经递质的同步测量与动态比较。
 

该研究的作者团队由来自伦敦大学的Stella Mayer、Iryna Danylenko、Viktoria A. Misiak、John C. Rothwell以及来自英国医学研究委员会分子生物学实验室的Seth G. Grant组成。他们凭借在神经科学、实验技术等多个领域积累的深厚专业知识，进行了在清醒恒河猴上建立体内脑微透析技术的研究。

研究人员通过半慢性微透析（MD）采样，对比动物 “活跃” 和 “非活跃” 两种行为状态下六种神经递质及胆碱的浓度。实验时，动物坐在特制灵长类座椅上，头部活动受限，使用眼动仪监测眼动，刺激呈现在动物前方的显示器上。当动物未参与行为任务（如因困倦或缺乏动机）时为非活跃状态，参与任务时为活跃状态。
 

图1 恒河猴半慢性 MD 系统示意图

注：标准的 MD 设置包括一个导向器和一个探针，探针的尖端有一层半透膜，放置在感兴趣的大脑区域（图 1）。该膜允许分子在低于膜的截留分子量值时，从细胞外空间（高浓度区域）到探针内部（低浓度区域）的净扩散。入口和出口管分别允许用人工脑脊液 （aCSF） 灌注探针和收集样本。

研究人员选用1只19岁、13.5 kg的成年雄性恒河猴作为研究对象进行实验，为了确定皮质神经递质的浓度，使用CMA 12 Elite探针从位于上颞沟后岸的 MT 区域的三个不同位置（TR-1、TR-2、TR-3）（图3 A）采集细胞外液样本进行实验。该研究采用新方法，即通过可拆卸插入物半慢性植入 MD 导管和探针。该插入物由生物相容性树脂 3D 打印而成，放置在标准 PEEK （聚醚醚酮）记录室内，其结构设计有助于固定导头、清洁腔室和防止探针位移。MD 导管由聚氨酯制成，带可拆卸尖头不锈钢针，MD 探针为定制不锈钢轴，探针半透膜由 PAES 制成，可确保采样稳定。通过使用插入物将探针半慢性植入目标区域后，利用注射泵装置，把 aCSF泵入入口管，选择 1 μL/min 的灌注速率进行灌流，以此平衡时间分离度和分析物回收率。该实验12min收集一次样品，样品收集完成后使用MRI 扫描验证探针位置后对样本进行检测分析。

图2 用于 MD 采样的三种 MT 轨迹（TR-1、TR-2 和 TR-3;TR=trajectory）

图3 用于 MD 采样的三种 MT 轨迹（TR-1、TR-2 和 TR-3;TR=trajectory）

样品收集完成后，研究人员采用超高效液相色谱-电喷雾电离-质谱法（UHPLC-ESI-MS），以低样品量（每个样品 12μL）对 18 个样品（9 个活跃状态、9 个非活跃状态，18 天内收集）中的 6 种神经递质（DA、NE、LE、5-HT、Glu、GABA）和胆碱的相对浓度进行量化。为控制小样品化合物组成可能产生的误差，在三个时间点测量，每种化合物均测量三次。结果显示，多数样品的误差不超 20%，如 GABA、谷氨酸、胆碱、去甲肾上腺素、血清素等大部分样品误差在相应较低范围内；肾上腺素和多巴胺部分样品误差相对较高。

研究人员通过对细胞外液中神经递质浓度值的额外分析，进一步验证了在恒河猴 MT 区域采样和检测神经递质的方法，并展示了 “活跃” 和 “非活跃” 状态下 GABA、谷氨酸等神经递质及胆碱浓度的频率直方图。

图4 七种神经递质浓度的频率分布

后续进一步计算了每种神经递质在不同行为状态下的变异系数（CV）并针对每个样本，计算各神经递质对之间的 Spearman 相关性，以此探究神经递质的共调节和动态相互作用。结果显示 “活跃” 状态下的 CV 值始终高于 “不活跃” 状态，这可能反映出恒河猴在 “活跃” 状态下行为表现的变异性更大，而 “不活跃” 状态相对稳定、唤起水平较低；“活跃” 状态时，多巴胺、胆碱、去甲肾上腺素、谷氨酸和血清素等神经递质间存在显著正相关，意味着这些神经递质的浓度变化具有一致性，可能共同参与并依赖于猴子的任务执行和行为表现；“不活跃” 状态下，GABA 与其他神经递质存在显著相关性，其中与胆碱、肾上腺素呈强正相关，与去甲肾上腺素呈强负相关，表明 GABA 在 “不活跃” 状态下对其他神经递质的调节作用突出，反映出该状态下神经元活动的抑制性调制增强。

图5 活跃” 和 “不活跃” 行为块样本中七种神经递质的浓度值，以及这两种行为块的变异性（CV）测量结果
 

图6  Spearman 在“活跃”和“非活跃”状态下的相关性

透析技术能在体实时采集生物样本，精准测定神经递质、代谢物等多种生物分子的动态变化，为探究大脑神经化学机制、疾病病理生理过程以及评估药物疗效等研究提供关键数据支撑，有力推动了神经科学、药理学和临床医学等多领域的发展。在此基础上，研究人员运用新型半慢性脑微透析技术，对清醒恒河猴不同认知状态下大脑皮层神经递质的浓度变化展开研究。结果表明，“活跃” 状态下神经递质浓度的变异性更高，其中 GABA 和 5-HT浓度显著增加，这一发现揭示了神经递质在认知功能中的动态调节作用，为相关神经疾病研究开拓了新视角。

参考文献：Mayer S, Saxena P, Crayen MA, et al. Establishing In-vivo brain microdialysis for comparing concentrations of a variety of cortical neurotransmitters in the awake rhesus macaque between different cognitive states. J Neurosci Methods. 2025 Mar;415:110361.

创作声明：本文是在原英文文献基础上进行解读，存在观点偏向性，仅作分享，请参考原文深入学习。

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