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Come il cervello regola il proprio flusso di sangue

Come il cervello regola il proprio flusso di sangueImmagine in vivo al microscopio a due fotoni delle cellule endoteliali che rivestono le arterie superficiali nel cervello (verde, TIE-2/GFP). I globuli rossi sono astrociti marcati con Sulphorhodamine. Le nuove scoperte suggeriscono che il percorso continuo delle cellule endoteliali all'interno delle arterie del cervello è essenziale per la propagazione dei segnali che orchestrano la dilatazione locale e l'aumento del flusso sanguigno in risposta all'attività neuronale locale. (Immagine per gentile concessione di Elizabeth Hillman)In un nuovo studio pubblicato online sul Journal of American Heart Association il 12 giugno 2014, i ricercatori della Columbia Ingegneria riferiscono di aver identificato un nuovo componente del meccanismo biologico che controlla il flusso di sangue nel cervello.


Guidati da Elizabeth MC Hillman, professore associato di ingegneria biomedica, la squadra ha dimostrato, per la prima volta, che l'endotelio vascolare ha un ruolo cruciale nella regolazione del flusso ematico, in risposta alla stimolazione, nel cervello vivente.


"Pensiamo di aver trovato un anello mancante per capire come il cervello governa dinamicamente il flusso di sangue, e rimanere in sintonia con l'attività dei neuroni", dice la Hillman, che ha un incarico congiunto in Radiologia, fa parte del Zuckerman Brain Behavior Institute e del Kavli Institute for Brain Science alla Columbia. La Hillman ha trascorso più di 10 anni ad usare strumenti di imaging avanzati per studiare come il flusso di sangue viene controllato dal cervello. "Studi precedenti avevano identificato piccoli pezzi del puzzle, ma non credevamo che formassero un quadro completo e coeso in grado di unificare le osservazioni di tutti. La nostra nuova scoperta sembra collegare realmente i puntini".


Capire come e perché il cervello regola il flusso sanguigno potrebbe fornire indizi importanti per comprendere lo sviluppo iniziale del cervello, le malattie e l'invecchiamento. Il cervello aumenta il flusso sanguigno locale quando i neuroni si attivano [«sparano»], e questo aumento è ciò che viene rilevato da una scansione con risonanza magnetica funzionale (fMRI).


La Hillman ha scoperto che l'endotelio vascolare, lo strato interno dei vasi sanguigni, ha un ruolo cruciale nella propagazione e nella formazione della risposta del flusso sanguigno all'attività neuronale locale. Mentre l'endotelio vascolare è noto per farlo in altre zone del corpo, fino ad ora si riteneva che il cervello usasse un meccanismo diverso e più specializzato, e i ricercatori nel campo si erano concentrati sulle cellule circostanti i vasi nel cervello.


"Una volta che ci siamo resi conto dell'importanza della segnalazione endoteliale nella regolazione del flusso di sangue nel cervello", spega la Hillman, "ci siamo chiesti se trascurare l'endotelio vascolare possa aver portato i ricercatori a mal interpretare i loro risultati". "Quando abbiamo identificato questo percorso, tante cose sono andate al loro posto", continua, "Speriamo davvero che il nostro lavoro incoraggi gli altri a dare un'occhiata più da vicino all'endotelio vascolare nel cervello. Per ora pensiamo che questi risultati abbiano implicazioni vaste e davvero interessanti per le neuroscienze, la neurologia, la medicina cardiovascolare, la radiologia, e la nostra comprensione globale di come funziona il cervello".


Questa ricerca, condotta nel «Laboratory for Functional Optical Imaging» della Hillman, è stata guidata dal dottorando e autore principale Brenda Chen. Altri membri del laboratorio che hanno collaborato allo studio includono i dottorandi MD/PhD della Columbia Engineering, Neurobiology and Behavior, e del Columbia University Medical Center. Il gruppo ha unito le proprie competenze ingegneristiche con quelle nel campo delle neuroscienze, della biologia e della medicina per capire questo nuovo aspetto della fisiologia del cervello.


Per separare il ruolo della segnalazione endoteliale nel cervello vivente, hanno dovuto sviluppare nuovi modi di scansionare il cervello a velocità molto elevate, e anche di modificare selettivamente la capacità delle cellule endoteliali di propagare segnali all'interno dei vasi intatti. La squadra l'ha fatto con una serie di tecniche che usano la luce e l'ottica, compreso l'imaging con una telecamera ad alta velocità sincronizzata con l'illuminazione stroboscopica a LED, per catturare i cambiamenti di colore, e quindi il livello di ossigenazione del sangue che scorre.


La luce laser focalizzata è stata usata in combinazione con un colorante fluorescente all'interno del flusso sanguigno per causare danni ossidativi allo strato endoteliale interno delle arteriole cerebrali sanguigne, lasciando il resto del vaso intatto e reattivo. Il gruppo ha indicato che, dopo aver danneggiato una piccola sezione di un vaso con il loro laser, il vaso stesso non si è dilatato oltre il punto danneggiato. Quando hanno puntato con lo stesso metodo l'endotelio di un numero maggiore di vasi, la risposta complessiva del flusso sanguigno del cervello alla stimolazione è significativamente diminuita.


"La nostra ricerca unifica ciò che si conosce sulla regolazione del flusso di sangue nel resto del corpo, al modo in cui lo stesso è regolato nel cervello", spiega Hillman. "Questo ha implicazioni di più ampio respiro in quanto ci sono molti stati patologici noti per influenzare la regolazione del flusso di sangue nel resto del corpo che, fino ad ora, non erano ritenuti in grado di influenzare direttamente la salute del cervello".


Per esempio, il coinvolgimento dell'endotelio potrebbe spiegare i deficit neurali dei diabetici; un indizio che potrebbe portare a nuovi test e trattamenti diagnostici per condizioni neurologiche associate a problemi cardiovascolari più ampi. "Migliorare la nostra comprensione fondamentale di come e perché il cervello regola il flusso di sangue è la chiave per capire come e quando questo meccanismo potrebbe essere alterato o rotto", dice. "Pensiamo che questo potrebbe essere esteso a studi sullo sviluppo iniziale del cervello, sull'invecchiamento e sulle malattie come l'Alzheimer e la demenza".

Come il cervello regola il proprio flusso di sangue Il rossore del cervello. La tonalità rossa mostra l'aumento della quantità di sangue nel cervello (concentrazione totale di emoglobina) in risposta alla stimolazione. Questa risposta si estende lungo le arterie superficiali in un'onda di dilatazione che viaggia su un millimetro in meno di mezzo secondo. Questo 'rossore del cervello' fornisce il contrasto delle immagini fMRI, ed è essenziale per la funzione normale del cervello. Il vaso sanguigno verde che attraversa la regione rispondente è una vena drenante. Le vene mostrano un cambiamento molto piccolo di diametro in risposta alla stimolazione normale, agendo da drenaggio passivo all'aumento del flusso sanguigno. (Immagine per gentile concessione di Elizabeth Hillman)
I risultati della ricerca del gruppo possono spiegare anche gli effetti di alcuni farmaci sul cervello, e la risposta fMRI alla stimolazione, poiché l'endotelio vascolare è esposto a sostanze chimiche nel sangue. "Nel complesso, questo lavoro potrebbe migliorare notevolmente la nostra capacità di interpretare i dati fMRI raccolti negli esseri umani, magari rendendolo uno strumento migliore perchè i medici possano capire le malattie del cervello", aggiunge. Il lavoro di Hillman in questo settore sarà presente anche in una prossima revisione nell'edizione 2014 di Annual Review of Neuroscience, così come in un articolo di Scientific American MIND (luglio/agosto 2014).


La Hillman prevede in seguito di affrontare la vasta gamma di implicazioni che la sua ultima scoperta potrebbe avere. Vuole esplorare gli effetti dei farmaci e gli stati di malattia nel far corrispondere il flusso di sangue con l'attività neuronale del cervello, e sta ora iniziando degli studi per esplorare i dati fMRI di una serie di diversi stati di malattia, per vedere se riesce a trovare segni di disfunzione neurovascolare.

Sta anche lavorando per caratterizzare la co-evoluzione dell'attività neuronale e emodinamica durante lo sviluppo del cervello e sta cominciando a sviluppare nuovi strumenti di scansione che permetteranno il monitoraggio non invasivo ed economico dell'emodinamica cerebrale nei neonati e nei bambini che non possono essere messi in uno scanner MRI.


"La nostra ultima scoperta ci dà un nuovo modo di pensare alle malattie del cervello: che alcune condizioni, che si era assunto fossero causate da neuroni difettosi, potrebbero in realtà essere problemi con i vasi sanguigni difettosi", Hillman, aggiunge.

"Questo ci dà un nuovo obiettivo su cui concentrarci, per esplorare i trattamenti di una vasta gamma di disturbi che fino ad ora erano ritenuti impossibili da trattare. Il sistema vascolare del cervello è un partner fondamentale della funzionalità del cervello normale. Speriamo di arrivare lentamente a districare alcuni dei misteri del cervello umano".

*******
Questa ricerca è finanziata dal National Institutes of Health, nonché dalla National Science Foundation, dallo Human Frontier Science Program e dalla famiglia Rodriguez.

 

 

 

 

 


Fonte: Holly Evarts in  Columbia University School of Engineering and Applied Science  (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti:  Brenda R. Chen, Mariel G. Kozberg, Matthew B. Bouchard, Mohammed A. Shaik, and Elizabeth M. C. Hillman. A Critical Role for the Vascular Endothelium in Functional Neurovascular Coupling in the Brain. J Am Heart Assoc., June 12, 2014 DOI: 10.1161/%u200BJAHA.114.000787

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