中科院上海生命科学研究院神经所杜久林研究组在PLoS Biology杂志在线发表了题为《血流驱动发育过程中斑马鱼大脑血管网络的修剪》的研究文章。该研究运用多学科交叉手段，首次揭示了在大脑发育过程中，局部脑血管中血流的降低和变异将引起血管内皮细胞的迁移，导致相应血管的消失，从而简化在几何尺度上不断增长的脑血管三维网络，提高脑血流效率。该工作通过建立新的研究体系和方法，首次使人们能够从“宏观”全脑尺度上揭示大脑血管网络的发育规律，并从“微观”层次上揭示其细胞分子机制。PLoS Biology杂志在同期的“Synopses”专栏中对该工作进行了重点点评。
脑研究是当前最活跃的前沿基础研究之一，但目前脑科学主要偏重于神经元和胶质细胞的研究，而脑血管的研究长期受到忽视。在成人大脑中，血管（包括毛细血管）的总长度可达650公里，表面积约20平方米。毛细血管之间的平均距离只有40微米左右，使得每一个脑细胞-神经元都接受到毛细血管网的覆盖。脑血管网络是一个高度复杂、精细的三维网络。尽管大脑的质量只占体重的2%，但通过这个血管网络，大脑接受了15%的心脏总血流量。血管发育的异常和功能障碍将影响生物体器官组织代谢和气体交换，脑血管的异常与中风、神经退行性疾病等紧密相关。然而，迄今为止，由于重视程度的不足和技术手段的限制，人们对脑血管网络发育的机制仍知之甚少。
在该研究工作中，杜久林研究组通过对活体斑马鱼中脑所有血管进行连续数天的三维成像和计算机辅助的定量分析，发现在发育过程中尽管有大量的脑血管在不断形成，但脑血管三维网络结构却在不断简化；通过连续跟踪每根血管的生长及其所承载的血流速度，发现脑血管网络的简化是由于处于局部复杂网络中的血管消失即血管修剪(vessel pruning)造成的，其中最初形成的脑血管约有45%最终消失；血管修剪导致的脑血管网络的简化降低了血管与血管间血流速度的差异，避免了不稳定的双向血流的存在，提高了整体脑血流速度，使动脉到静脉血流更有效。
进一步的机制研究发现，在修剪发生前，将消失的血管上的血流速度和血流剪切力均低于相邻血管，而血流速度和剪切力的变化均高于相邻血管，并且在即将消失的血管上经常伴随不稳定的双向血流。这些结果提示，血流变化可能是血管修剪的诱因，这一猜想被微颗粒局部阻断血管血流和药物处理抑制整体血流的实验以及基于血流动力学的数学模型所证实。进一步地，在分子细胞水平上，研究人员发现局部血流的降低可以激活血管内皮细胞上Rac1分子的活性，从而引起血管内皮细胞的迁移，并最终导致血管消失。
这项研究揭示了血管修剪在脑血管网络发育中的重要作用，并阐明了一种新颖的导致血管修剪的细胞机制，这可能将引领血管发育领域对血管修剪的功能和机制的深入研究。同时，由于血管在癌症的维持和迁移中起到重要作用，对于血管修剪机制的研究可能为治疗癌症提供新的策略和目标分子。
该工作主要由博士生陈奇和博士后姜娈等在杜久林研究员的指导下完成，上海交通大学自然研究院和数学系的蔡申瓯教授和胡丹教授参与了其中的模型工作。
该研究工作受到科技部“973”和重大科学研究计划、中国科学院“百人计划”以及上海市科委“浦江人才”计划和基础研究重大项目等基金的资助。