Όλη την ημέρα, ο εγκέφαλός μας εκτελεί περίπλοκες και ενεργοβόρες εργασίες, όπως η μνήμη, η επίλυση προβλημάτων και η λήψη αποφάσεων. Για να παρέχει την ενέργεια που απαιτούν αυτές οι εργασίες, διατηρώντας παράλληλα αυτό το πολύτιμο καύσιμο, ο εγκέφαλος έχει αναπτύξει ένα σύστημα που του επιτρέπει να στέλνει γρήγορα και αποτελεσματικά αίμα μόνο στις περιοχές που το χρειάζονται περισσότερο σε μια δεδομένη στιγμή. Αυτό το σύστημα είναι απαραίτητο για τη λειτουργία του εγκεφάλου και τη συνολική υγεία, ωστόσο ο τρόπος λειτουργίας του παρέμεινε κάπως μυστήριο.
Τώρα, μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ αποκάλυψε νέες λεπτομέρειες για το πώς ο εγκέφαλος μετακινεί το αίμα σε ενεργές περιοχές σε πραγματικό χρόνο. Τα ευρήματά τους δημοσιεύονται στις 16 Ιουλίου στο Cell. Σε πειράματα σε ποντίκια, η ομάδα ανακάλυψε ότι ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί εξειδικευμένα κανάλια στην επένδυση των αιμοφόρων αγγείων του για να επικοινωνεί πού χρειάζεται αίμα.
«Αυτή η εργασία μας βοηθά να κατανοήσουμε πώς μπορείτε να μεταφέρετε αυτήν την εξαιρετικά σημαντική παροχή αίματος στις σωστές περιοχές του εγκεφάλου σε μια χρονική κλίμακα που είναι χρήσιμη», δήλωσε ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Λουκ Κάπλαν, ερευνητής νευροβιολογίας στο Ινστιτούτο Μπλαβάτνικ στο HMS.
Εάν επιβεβαιωθούν σε πρόσθετες μελέτες σε ζώα και ανθρώπους, τα ευρήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση των ευρημάτων σε εξετάσεις απεικόνισης εγκεφάλου, όπως η λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI). Οι γνώσεις αυτές μπορούν επίσης να προωθήσουν την κατανόηση των νευροεκφυλιστικών ασθενειών, στις οποίες αυτό το σύστημα επικοινωνίας συχνά καταρρέει, οδηγώντας σε γνωστικά προβλήματα.
Ένα μακροχρόνιο μηχανιστικό παζλ
Στα τέλη του 1800, ο Ιταλός γιατρός Άντζελο Μόσο παρατήρησε κάτι ενδιαφέρον σε έναν ασθενή με ελάττωμα στο κρανίο που άφηνε μια περιοχή του εγκεφάλου του εκτεθειμένη: Όταν ο ασθενής θύμωνε, τμήματα της εκτεθειμένης περιοχής πρήζονταν αμέσως με αίμα – υπονοώντας μια σύνδεση μεταξύ της εγκεφαλικής δραστηριότητας και της ροής του αίματος. Έναν αιώνα αργότερα, αυτή η σύνδεση έγινε η βάση της fMRI, ενός τύπου εγκεφαλικής σάρωσης που μετρά τη ροή του αίματος σε διαφορετικές περιοχές ως υποκατάστατο της νευρικής δραστηριότητας, ενώ τα άτομα εκτελούν διάφορες εργασίες.
Ο εγκέφαλος είναι ένα από τα όργανα του σώματος με τις μεγαλύτερες απαιτήσεις ενέργειας, αντιπροσωπεύοντας το 2% του βάρους του σώματος, αλλά καταναλώνοντας το 20% της συνολικής του ενέργειας. Για να παραμείνει εντός προϋπολογισμού, ο εγκέφαλος πρέπει να είναι εξαιρετικά αποτελεσματικός: Κατευθύνει γρήγορα τη ροή του αίματος στις περιοχές που την χρειάζονται περισσότερο, εξήγησε ο επικεφαλής συγγραφέας Chenghua Gu, καθηγητής νευροβιολογίας στο HMS.
Ενώ το ποσοστό κατανάλωσης ενέργειας του εγκεφάλου ποικίλλει μεταξύ των ειδών ανάλογα με την πολυπλοκότητα του οργάνου, είπε ο Gu, ο εγκέφαλος είναι ένα όργανο που καταναλώνει ενέργεια σε όλα τα θηλαστικά. «Υπάρχει αυτός ένας κομψός εξελικτικός μηχανισμός που κατανέμει τη ροή του αίματος κατ’ απαίτηση σε όλο τον εγκέφαλο, αλλά δεν καταλαβαίνουμε πώς λειτουργεί», δήλωσε ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Trevor Krolak, διδακτορικός φοιτητής στο εργαστήριο Gu.
Αυτή η διαδικασία κατανομής αίματος επιδεινώνεται κατά την νευροεκφύλιση, σημείωσε ο Kaplan, και η κατανόηση της εσωτερικής λειτουργίας της θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες γνώσεις. «Αν δεν γνωρίζουμε πώς λειτουργεί αυτό το σύστημα σε βιολογικό επίπεδο, δεν θα ξέρουμε πώς να το διορθώσουμε όταν πάει στραβά», είπε.
Αποκαλύφθηκε μια κυτταρική οδός σηματοδότησης
Για να κατανοήσουν τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο καθώς διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου ενεργοποιούνται, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια σειρά πειραμάτων σε ποντίκια. Η ανάλυσή τους έδειξε ότι ο εγκέφαλος επικοινωνεί γρήγορα την ανάγκη για περισσότερο αίμα σε μια συγκεκριμένη περιοχή μέσω ενδοθηλιακών κυττάρων που καλύπτουν τα αιμοφόρα αγγεία στον εγκέφαλο.
Επιπλέον, παρατήρησαν οι ερευνητές, τα ενδοθηλιακά κύτταρα επικοινωνούσαν τόσο γρήγορα και αποτελεσματικά μέσω των λεγόμενων διασταυρώσεων – μικροσκοπικών καναλιών που συνδέουν φυσικά τα γειτονικά κύτταρα. Η ομάδα εντόπισε επίσης δύο γονίδια κρίσιμα για τη λειτουργία αυτής της οδού επικοινωνίας. «Ο εγκέφαλος ουσιαστικά χρησιμοποιεί την εσωτερική επένδυση των αιμοφόρων αγγείων του ως μια ευρεία και συντονισμένη οδό σηματοδότησης», είπε ο Krolak.
Με αυτόν τον τρόπο, ο εγκέφαλος μπορεί να επικοινωνήσει ποια αιμοφόρα αγγεία πρέπει να διασταλούν ή να συσταλούν από κοινού για να μετακινήσουν το αίμα στις σωστές περιοχές την κατάλληλη στιγμή. «Αυτά τα ευρήματα μας βοηθούν να κατανοήσουμε πώς ο εγκέφαλος παρέχει τη ροή του αίματος ακριβώς εκεί που χρειάζεται, επιτρέποντάς του να χρησιμοποιεί την περιορισμένη παροχή ενέργειας με αποτελεσματικό τρόπο», δήλωσε ο Gu.
Άλλοι τύποι κυττάρων συνδέονται επίσης μέσω των διασταυρώσεων, και μεταλλάξεις στα γονίδια των διασταυρώσεων έχουν εμπλακεί σε καρδιακές παθήσεις, κώφωση και άλλες ασθένειες. Έτσι, σημείωσαν οι ερευνητές, τα νέα ευρήματα ανοίγουν την πόρτα για περισσότερη έρευνα σχετικά με το πώς τα κύτταρα σε όλο το σώμα χρησιμοποιούν αυτές τις συνδέσεις για να επικοινωνήσουν.
Επειδή η αγγείωση του εγκεφάλου είναι ιδιαίτερα συντηρημένη στα θηλαστικά, είπε ο Gu, το ίδιο σύστημα πιθανότατα λειτουργεί και στους ανθρώπους. Εάν τα ευρήματα, πράγματι, μεταφραστούν στους ανθρώπους, οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ερμηνεία της fMRI, η οποία βασίζεται στη σύνδεση μεταξύ της ροής του αίματος και της νευρωνικής δραστηριότητας.
