В отличие от остального тела, в мозге недостаточно места для накопления энергии. Вместо этого мозг полагается на сотни миль кровеносных сосудов внутри него, чтобы снабжать свежую энергию через кровь. Тем не менее, до сих пор плохо понималось, как мозг выражает потребность в большем количестве энергии во время повышенной активности, а затем направляет свое кровоснабжение в определенные горячие точки.

Теперь исследователи Медицинской школы Университета Мэриленда и Университета Вермонта показали, как мозг взаимодействует с кровеносными сосудами, когда нуждается в энергии, и как эти кровеносные сосуды реагируют, расслабляясь или сужаясь, чтобы направить кровоток в определенные области мозга.

В своей новой статье, опубликованной 21 июля в журнале Science Advances, исследователи говорят, что понимание того, как мозг направляет энергию на себя в сложных деталях, может помочь определить, что идет не так в таких условиях, как болезнь Альцгеймера и деменция, где неправильный кровоток является предиктором когнитивных нарушений. Если мозг не получает кровь туда, где она ему нужна, когда она ему нужна, нейроны испытывают стресс, и со временем они ухудшаются, что в конечном итоге приводит к снижению когнитивных способностей и проблемам с памятью.

Крупные артерии питают сосуды среднего размера, известные как артериолы, которые затем питают еще более мелкие капилляры—настолько маленькие, что через них может пройти только одна клетка крови. В статье по нейробиологии 2017 года исследователи показали, что электрические импульсы, проходящие через капилляры, направляют кровоток из артериол среднего размера, снабжающих большие области мозга. Для этой последней работы команда хотела изучить тонкую настройку крови, протекающей по капиллярам, чтобы точно регулировать подачу энергии в крошечные области мозга.

"По-видимому, существует два механизма, работающих в тандеме, чтобы гарантировать, что энергия в форме крови поступает в определенные области мозга: один широкий, а другой точный", - говорит Томас Лонгден, доктор философии, доцент физиологии в Медицинской школе Университета Мэриленда. "Первый электрический механизм похож на грубый подход кувалды, чтобы доставить больше крови в общую зону повышенной мозговой активности, контролируя артериолы среднего размера, а затем сигналы кальция капилляров обеспечивают тонкую настройку, чтобы кровь попадала точно в нужное место в нужное время через крошечные капилляры."

Доктор Лонгден и его коллеги использовали белок, который излучает зеленый свет, когда в клетке увеличивается количество кальция. Благодаря усилиям команды Майкла Котликоффа из Корнельского университета они смогли включить этот инструмент в клетках, выстилающих кровеносные сосуды мышей. Затем исследователи заглянули через маленькие окошки в мозге этих мышей, чтобы исследовать роль кальция в контроле кровотока в капиллярах мозга. Когда клетки, выстилающие кровеносные сосуды, получали приток кальция, они светились зеленым. Они обнаружили 5000 сигналов кальция в секунду в капиллярах крошечного участка мозга, видимого через окно, что, по их словам, составляет около 1 000 000 таких ответов каждую секунду во всей системе кровеносных сосудов мозга.

"До тех пор, пока мы не внедрили эту новую технологию, в мозге существовал совершенно невидимый мир сигналов кальция, скрытый от глаз, и теперь мы можем видеть тонну активности в кровеносных сосудах мозга—они постоянно активизируются", - говорит доктор Лонгден.

Затем доктор Лонгден и исследовательская группа проанализировали сложный клеточный механизм, лежащий в основе роли кальция в направлении крови ветвь за ветвью по крошечным сосудам головного мозга. Они обнаружили, что когда нейроны посылают электрические сигналы, они вызывают увеличение кальция в клетках, выстилающих кровеносные сосуды. Затем ферменты обнаруживают этот кальций и направляют клетки на выработку оксида азота. Оксид азота-это гормон (и газ), который заставляет мышечные клетки вокруг кровеносных сосудов расслабляться, что затем расширяет сосуды, позволяя поступать большему количеству крови.

"Капилляры традиционно считались простыми проводниками эритроцитов и барьером между кровью и мозгом",-говорит соавтор исследования Марк Т. Нельсон, доктор философии, заслуженный профессор Университета Вермонта и заведующий кафедрой фармакологии. "Здесь мы обнаружили неизвестную вселенную сигналов кальция в капиллярах, и, подобно светофорам, эти сигналы кальция направляют жизненно важные питательные вещества к близлежащим активным нейронам."

"Первым шагом к выяснению того, что происходит не так при заболеваниях, является определение того, как система работает так, как она обычно должна", - говорит Э. Альберт Рис, доктор медицинских наук, MBA, исполнительный вице-президент по медицинским вопросам, Балтимор, и Джон З. и Акико К. Бауэрс, заслуженный профессор и декан медицинской школы Мэрилендского университета. "Теперь, когда исследователи имеют представление о том, как работает этот процесс, они могут начать исследовать, как нарушается кровоток при болезни Альцгеймера и слабоумии, чтобы выяснить, как это исправить."

ИСТОЧНИК