Ricerche

Il nostro cervello consuma nutrienti in modo continuo, senza sosta. Un labirinto fittissimo di vasi sanguigni, paragonabile in lunghezza alla distanza tra San Diego a Berkeley (ndt: circa 800 km), garantisce un flusso continuo di ossigeno e zucchero per mantenere funzionante il cervello a livelli di picco.

Ma come riesce questo sistema intricato a garantire che le parti più attive del cervello ricevano abbastanza nutrimento rispetto alle zone che ne richiedono di meno? Questo è un problema secolare nella neuroscienza, al quale gli scienziati dell'Università della California di San Diego hanno contribuito a rispondere in uno studio appena pubblicato.

Studiando il cervello di topi, un team di ricercatori guidati da Xiang Ji, David Kleinfeld e i loro colleghi, ha decifrato la questione del consumo di energia cerebrale e la densità dei vasi sanguigni attraverso mappe appena sviluppate che dettagliano il cablaggio del cervello a una risoluzione inferiore al milionesimo di metro o un centesimo dello spessore di un capello umano.

Le nuove mappe, risultato di un lavoro all'incrocio tra biologia e fisica, offrono nuove intuizioni su questi 'microvasi capillari' e le loro varie funzioni nelle catene di approvvigionamento del sangue. Le tecniche e le tecnologie usate sono descritte dal ​​2 marzo su Neuron.

"Abbiamo sviluppato un canale di informazioni sperimentale e computazionale per etichettare, visualizzare e ricostruire il sistema microvascolare nel cervello completo di topo, con completezza e precisione senza precedenti", ha detto Kleinfeld, professore nel Dipartimento di Fisica dell'UC San Diego e nella sezione di Neurobiologia. Kleinfeld dice che lo sforzo era simile a una natura con progettazione inversa. "Ciò ha permesso a Xiang di fare calcoli sofisticati che non solo hanno collegato l'uso di energia del cervello alla densità dei vasi, ma anche di prevedere il punto di svolta tra la perdita di capillari del cervello e un improvviso calo della sua salute".

Le domande che circondano il modo di trasportare il nutrimento alle regioni attive e meno attive da parte dei vasi sanguigni sono sorte sin dal 1920 come problema generale in fisiologia. Negli anni '80, una tecnologia chiamata autoradiografia (predecessore della moderna tomografia a emissione di positrone o PET), ha consentito agli scienziati di misurare la distribuzione del metabolismo dello zucchero nel cervello di topo.

Per afferrare e risolvere pienamente il problema, Ji, Kleinfeld e i loro colleghi dello Howard Hughes Medical Institute e dell'UC San Diego, hanno riempito il 99,9% dei vasi capillari nel cervello del topo (che ammontano a quasi 6,5 milioni) con un gel colorante. Quindi hanno scansionato l'intero cervello con precisione inferiore al micrometro. Ciò ha portato a 15 trilioni di voxel (elementi volumetrici individuali) per cervello, che sono stati trasformati in una rete vascolare digitale che si è potuto analizzare con gli strumenti della scienza dei dati.

Con le loro nuove mappe in mano, i ricercatori hanno determinato che la concentrazione di ossigeno è all'incirca la stessa in ogni regione del cervello. Ma hanno scoperto che sono i piccoli vasi sanguigni i componenti chiave che compensano le richieste energetiche variabili.

Ad esempio, i tratti di materia bianca, che trasferiscono impulsi nervosi tra i due emisferi del cervello e al midollo spinale, sono regioni con basse esigenze energetiche. Lì i ricercatori hanno identificato livelli inferiori di vasi sanguigni. Al contrario, le regioni del cervello che coordinano la percezione del suono usano il triplo di energia e, hanno scoperto, hanno una densità molto maggiore di vasi sanguigni.

"In un'era di complessità crescenti svelate nei sistemi biologici, è affascinante osservare l'emergere di regole di progettazione condivise semplici e quantitative, sottostanti le reti apparentemente complicate nel cervello dei mammiferi", ha detto Ji, dottorando di fisica.

Successivamente, i ricercatori sperano di sfruttare gli aspetti più fini delle loro nuove mappe per determinare i modelli dettagliati del flusso sanguigno dentro e fuori dall'intero cervello. Cercheranno di determinare anche la relazione in gran parte inesplorata tra il cervello e il sistema immunitario.