人类大脑的多元素指纹分析：有毒元素、必需元素及稀土元素在新皮质、边缘系统及皮下区域的分布

《Scientific Reports》：Multi-elemental fingerprinting of the human brain: distribution of toxic, essential, and rare earth elements across neocortical, limbic, and subcortical regions

　　

摘要

本研究调查了42个人脑样本中有毒元素、必需元素和稀土元素（REEs）在新生皮层、边缘系统和皮下区域中的区域性分布情况。通过使用ICP-MS技术和多元分析方法，我们发现元素比值（特别是Fe/Mg和Fe/Zn）比绝对浓度更能有效区分不同区域之间的差异；主成分分析（PCA）能够解释51%的变异，而绝对浓度仅能解释34%，从而有效反映了大脑的化学计量结构。锰（Mn）和铁（Fe）表现出最明显的区域性梯度，皮下核区的这些元素浓度大约是新生皮层的两倍，这与DMT1介导的转运机制以及对多巴胺能结构的特异性分布一致。边缘系统区域中锰含量的升高支持了一种结合了系统性和嗅觉途径的混合积累机制；而皮下区域中铁含量的增加则反映了铁在多巴胺代谢中的生理作用，而非嗅觉转运过程。皮下结构中Fe/Zn和Fe/Mg比值的升高可能是由于局部铁浓度骤增而非神经保护因子的耗竭所致，这表明抗氧化防御机制可能相对减弱，从而增加了铁死亡性神经退行性病变的风险。镉（Cd）主要在皮下结构中积累，这一现象与钙离子（Ca2?）的类似作用以及与年龄相关的血脑屏障退化有关；边缘系统中镉含量较低，说明该元素的主要转运途径并非通过嗅觉系统。镧系元素（Lanthanides）以一个统一的地球化学群体形式存在，其总变异的96%可以通过单一主成分来解释，大多数镧系元素的显著性水平相同（p_BH = 0.0107）。研究还发现，轻质镧系元素通过钙通道的类似作用主要在皮下核区积累，而重质镧系元素则倾向于分布在边缘系统结构中，这表明存在两种不同的转运途径。相对谱图空间（CLR）中区域差异的消失表明镧系元素的积累机制可能是非选择性的，可能涉及轴突途径或血管微环境。新生皮层作为化学成分最独特的区域，与边缘系统和皮下结构相比保持了独特的元素基线。这些发现强调了解剖分层在神经毒理学风险评估中的重要性，尤其是在与基底节金属稳态失调相关的神经退行性疾病发病机制研究中具有重要意义。