Toute la journée, nos cerveaux effectuent des tâches compliquées et à forte intensité énergétique telles que la mémorisation, la résolution de problèmes et la prise de décisions.
Pour fournir l'énergie dont ces tâches nécessitent tout en conservant ce précieux carburant, le cerveau a évolué un système qui lui permet d'envoyer rapidement et efficacement le sang uniquement aux zones qui en ont le plus besoin à un moment donné. Ce système est essentiel au fonctionnement cérébral et à la santé globale, mais son fonctionnement est resté un peu mystère.
Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs de la Harvard Medical School a découvert de nouveaux détails sur la façon dont le cerveau déplace le sang vers les zones actives en temps réel. Leurs résultats sont publiés le 16 juillet Cellule.
Dans des expériences de souris, l'équipe a découvert que le cerveau utilise des canaux spécialisés dans la muqueuse de ses vaisseaux sanguins pour communiquer où le sang est nécessaire.
Ce travail nous aide à comprendre comment vous pouvez obtenir cet approvisionnement en sang super important aux bonnes zones du cerveau sur une échelle de temps utile. «
Luke Kaplan, co-auteur co-auteur, chercheur en neurobiologie au Blavatnik Institute de HMS
S'il est confirmé dans des études supplémentaires chez les animaux et les humains, les résultats pourraient être utilisés pour mieux comprendre les résultats des tests d'imagerie cérébrale tels que l'IRM fonctionnelle (IRMf). Les idées peuvent également faire progresser la compréhension des maladies neurodégénératives, dans lesquelles ce système de communication se décompose souvent, conduisant à des problèmes cognitifs.
Un puzzle mécaniste de longue date
À la fin des années 1800, le médecin italien Angelo Mosso a observé quelque chose d'intrigant chez un patient atteint d'un défaut de crâne qui a laissé une zone de son cerveau exposée: lorsque le patient s'est mis en colère, certaines parties de la zone exposée ont instantanément gonflé de sang – faisant allusion à un lien entre l'activité cérébrale et le flux sanguin.
Un siècle plus tard, cette connexion est devenue la base de l'IRMf, un type de scan cérébral qui mesure le flux sanguin vers différentes régions comme indicateur indirect de l'activité neuronale tandis que les individus effectuent diverses tâches.
Le cerveau est l'un des organes les plus exigeants de l'énergie du corps, représentant 2% du poids du corps mais consommant 20% de son énergie totale. Pour rester dans le budget, le cerveau doit être très efficace: il dirige rapidement la circulation sanguine vers les régions qui en ont le plus besoin, a expliqué l'auteur principal Chenghua Gu, professeur de neurobiologie au HMS.
Bien que la proportion de consommation d'énergie du cerveau varie selon les espèces en fonction de la complexité de l'organe, a déclaré Gu, le cerveau est un organe avide d'énergie chez tous les mammifères.
« Il y a un mécanisme évolutif élégant qui distribue la circulation sanguine à la demande dans tout le cerveau, mais nous ne comprenons pas comment cela fonctionne », a déclaré le co-dirigeant l'auteur Trevor Krolak, un doctorant dans le laboratoire GU.
Ce processus d'allocation sanguine se détériore dans la neurodégénérescence, a noté Kaplan, et la compréhension de son fonctionnement interne pourrait conduire à de nouvelles perspectives.
« Si nous ne savons pas comment ce système fonctionne à un niveau biologique, nous ne saurons pas comment le réparer quand il va mal », a-t-il déclaré.
Une autoroute de signalisation cellulaire révélée
Pour comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire à mesure que différentes régions cérébrales deviennent actives, les chercheurs ont effectué une série d'expériences chez la souris. Leur analyse a montré que le cerveau communique rapidement le besoin de plus de sang dans une zone particulière via des cellules endothéliales qui bordent les vaisseaux sanguins dans le cerveau. De plus, les chercheurs ont observé les cellules endothéliales communiquées si rapidement et efficacement via des jonctions de l'espace – de minuscules canaux qui connectent physiquement les cellules voisines. L'équipe a également identifié deux gènes essentiels à la fonction de cette voie de communication.
« Le cerveau utilise essentiellement la muqueuse intérieure de ses vaisseaux sanguins comme une autoroute de signalisation large et coordonnée », a déclaré Krolak.
Ce faisant, le cerveau peut communiquer quels vaisseaux sanguins doivent se dilater ou se contracter de concert pour déplacer le sang vers les bonnes zones au bon moment.
« Ces résultats nous aident à comprendre comment le cerveau fournit le flux sanguin jusqu'à exactement là où il est nécessaire, ce qui lui permet d'utiliser son approvisionnement en énergie limité de manière efficace », a déclaré Gu.
D'autres types de cellules sont également connectés par des jonctions lacunaires, et des mutations dans les gènes de jonction lacunaire ont été impliquées dans les conditions cardiaques, la surdité et d'autres maladies. Ainsi, les chercheurs ont noté que les nouvelles résultats ouvrent la porte à plus de recherches sur la façon dont les cellules du corps utilisent ces connexions pour communiquer.
Parce que le système vasculaire du cerveau est hautement conservé chez les mammifères, a déclaré Gu, le même système fonctionne probablement chez l'homme. Si les résultats se traduisent en effet par des humains, les chercheurs pensent qu'ils pourraient améliorer l'interprétation de l'IRMf, qui repose sur le lien entre la circulation sanguine et l'activité neuronale.
Un nombre croissant de preuves suggèrent que la régulation de l'approvisionnement en sang est importante pour la santé du cerveau – et commence à se décomposer dans certaines maladies neurodégénératives, ont déclaré les chercheurs. L'équipe espère que leurs résultats pourront faire la lumière sur les changements qui se produisent dans le cerveau pendant la neurodégénérescence.
« Maintenant que nous avons compris le mécanisme » Gu a dit: « Nous voulons appliquer nos connaissances à la compréhension des maladies et aux thérapies en développement. »
Paternité, financement, divulgations
Les auteurs supplémentaires sur le journal incluent Kathleen Navas, Lujing Chen, Austin Birmingham, Daniel Ryvkin, Victoria Izsa, Megan Powell, Zhuhao Wu et Benjamin Deverman.
The study was funded by a National Science Foundation Graduate Research Fellowship, an HMS Mahoney Postdoctoral Fellowship, an HMS Lefler Postdoctoral Fellowship, the National Institutes of Health (RF1MH128969; HL153261; R35NS116820), the National Institute of Neurological Disorders and Stroke (UG3NS111689), the National Institute of Mental Health (UG3MH120096), le Stanley Center for Psychiatric Research et une initiative de recherche Fidelity Biosciences. GU est un enquêteur du Howard Hughes Medical Institute.
Deverman est répertorié comme inventeur sur une demande de brevet (US20240325568A1) pour la production et l'utilisation du vecteur AAV-BI30. Deverman est fondateur scientifique et conseiller scientifique de la thérapie génique d'Apertura, a reçu un financement de recherche de la thérapie génique d'Apertura et est au conseil consultatif scientifique de Tevard Biosciences.
