O nouă metodă de RMN cartografiază fluxul sanguin și organizarea celulară
Cercetătorii de la Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) din cadrul Keck School of Medicine of USC au dezvoltat o nouă metodă noninvazivă pentru a examina modul în care fluxul sanguin și organizarea celulară se aliniază în straturile creierului uman viu.
Studiul, publicat în Nature Communications, introduce indicele de similaritate a intensității colorării celulelor corpului fluxului sanguin cerebral, sau CCSI. Aceasta ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă modul în care vasele de sânge, celulele și mecanismele de producere a energiei colaborează pentru a susține funcția cerebrală. Se speră că CCSI va oferi în cele din urmă informații despre semnele timpurii ale bolii și tratamentele potențiale.
Zona corticală, stratul exterior pliat al creierului, conține straturi cu numere și tipuri diferite de celule. Aceste celule au nevoie de un aport constant de oxigen și nutrienți, dar cercetătorii au avut instrumente limitate pentru a studia modul în care fluxul sanguin se potrivește cu distribuția acestora în creierul viu.
„Creierul are aproape nicio capacitate de a stoca energie, așa că celulele sale depind de un aport constant și atent reglat din fluxul sanguin”, a spus Fanhua Guo, coautor al studiului și cercetător la Stevens INI. „Noua noastră măsură ne oferă o modalitate de a studia cât de bine este poziționat acel aport energetic pentru a satisface cerințele celulare în diferite părți ale cortexului.”
Cercetătorii au utilizat etichetarea spinului arterial, sau ASL, o tehnică RMN noninvazivă care etichetează magnetic apa din sânge și o urmărește în țesutul cerebral. Un scanner RMN puternic de 7 Tesla a măsurat fluxul sanguin în întreaga zonă cerebrală la o rezoluție de un milimetru cub. Studiul a inclus 30 de adulți sănătoși; 14 au revenit pentru un al doilea scan pentru a testa consistența măsurătorilor.
Grupul a împărțit cortexul în 360 de regiuni și a examinat fluxul sanguin la multiple adâncimi. Au comparat aceste modele cu datele de colorare a celulelor corpului din BigBrain, o reconstrucție digitală tridimensională detaliată a unui creier uman care mapează cât de dens sunt împachetate celulele în întregul cortex.
„Imaginile convenționale ale creierului adesea mediează informațiile pe întreaga grosime a cortexului, dar cortexul nu este o foaie uniformă”, a declarat Chenyang Zhao, coautor al studiului și cercetător la Stevens INI. „Prin imaginarea fluxului sanguin la o rezoluție foarte înaltă, putem începe să vedem cum perfuzia se schimbă de la suprafața exterioară a cortexului la straturile sale mai adânci.”
„Neurosciența intră într-o eră în care putem combina imagistica avansată a creierului cu hărți detaliate ale celulelor creierului, expresiei genice și metabolismului”, a afirmat Ravi R. Bhatt. „Fiecare hartă oferă o viziune diferită asupra creierului, iar împreună ele dezvăluie modele care ar rămâne altfel ascunse.”
Scorul CCSI rezultat a măsurat cât de îndeaproape fluxul sanguin și densitatea celulară au urmat același model în adâncimea corticală. Scorurile mai mari indicau faptul că straturile dense în celule tindeau să primească mai mult flux sanguin. Fluxul sanguin și organizarea celulară s-au aliniat în majoritatea regiunilor corticale, ceea ce înseamnă că, în cadrul unei regiuni date, fluxul sanguin tindea să fie cel mai mare în straturile cu cele mai multe celule, deși intensitatea a variat în întreaga zonă cerebrală. Alinierea a fost cea mai puternică în regiunile vizuale primare și cele senzorio-motorii, care susțin vederea, mișcarea și atingerea.
Pentru a clarifica ceea ce CCSI reprezintă biologic, cercetătorii l-au comparat cu hărțile activității mitocondriale, tipurilor de celule și expresiei genice.
Mitocondriile transformă nutrienții și oxigenul în energie utilizabilă. Regiunile unde fluxul sanguin și organizarea celulară s-au aliniat mai puternic aveau, de asemenea, o capacitate respiratorie mitocondrială mai mare, rata maximă la care mitocondriile pot produce energie, sugerând că acestea ar putea fi mai bine echipate pentru a satisface cerințele energetice locale.
Relația a implicat capacitatea mitocondrială, nu doar numărul de mitocondrii. Fluxul sanguin total nu a arătat aceeași asociere, sugerând că CCSI dezvăluie o organizare metabolică pe care măsurătorile standard ale fluxului sanguin ar putea să o rateze.
„Fluxul sanguin ne spune cât de mult sânge ajunge într-o regiune, dar nu ne spune cum este distribuit acel aport în raport cu celulele care au nevoie de el”, a spus Danny JJ Wang. „CCSI adaugă acea informație spațială lipsă și ar putea oferi o imagine mai semnificativă din punct de vedere biologic asupra modului în care aprovizionarea vasculară susține utilizarea energiei în straturile corticale.”
CCSI a fost, de asemenea, asociat cu celulele endoteliale capilare, care căptușesc cele mai mici vase de sânge și ajută la reglarea modului în care sângele ajunge în țesutul înconjurător. A fost, de asemenea, asociat cu oligodendrocitele mature, celule cerebrale care produc învelișul protector de mielină în jurul fibrelor nervoase. Deoarece oligodendrocitele susțin, de asemenea, metabolismul fibrelor nervoase, constatarea sugerează că acestea ar putea ajuta la conectarea aprovizionării vasculare cu nevoile energetice ale neuronilor.
Activitatea genică a legat, de asemenea, CCSI de metabolismul energetic, dezvoltarea vaselor de sânge, organizarea vasculară și mitocondriile sănătoase. Împreună, constatările sugerează că alinierea fluxului sanguin și a structurii celulare reflectă un sistem coordonat care implică vase de sânge, celule de susținere și producția de energie.
Cercetătorii s-au întrebat, de asemenea, dacă CCSI ar putea ajuta la explicarea relației dintre structura și funcția creierului. Acea conexiune este de obicei strânsă în regiunile senzoriale și motorii, dar mai puțin directă în regiunile de asociere superioare, care susțin memoria, raționamentul și atenția.
Cercetătorii au testat acest lucru folosind analiza cuplării structură-funcție care prezice funcția creierului din caracteristicile structurale ale cortexului. Adăugarea CCSI a îmbunătățit semnificativ capacitatea modelelor de a prezice funcția în aceste regiuni de asociere superioare. Constatarea sugerează că factorii metabolici și vasculare modelează funcția cerebrală în moduri pe care structura celulară singură nu le poate explica.
„Acest studiu leagă mai multe niveluri de organizare a creierului, de la vasele de sânge și mitocondrii la celule, straturi corticale și expresia genică”, a afirmat Arthur W. Toga. „Prin aducerea împreună a acestor surse de informații, cercetătorii au creat un nou cadru pentru investigarea modului în care creierul viu susține cerințele sale extraordinare
