Une équipe de scientifiques de l'UVM dirigée par Mark Nelson, Ph.D., du Larner College of Medicine de l'Université du Vermont, a découvert un nouveau mécanisme qui remodèle notre compréhension de la régulation du flux sanguin dans le cerveau. L'étude, publiée dans Les actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS)une revue à comité de lecture de l'Académie nationale des sciences (NAS), présente le couplage électro-calcique (E-Ca), un processus qui intègre la signalisation électrique et calcique dans les capillaires cérébraux pour assurer une distribution précise du flux sanguin vers les neurones actifs.
Dans le corps humain, le sang est acheminé vers le cerveau à partir des artères de surface via des artérioles pénétrantes, ou de très petits vaisseaux sanguins qui partent des artères, et des centaines de kilomètres de capillaires, qui étendent énormément le territoire de perfusion. Le cerveau ; un organe hautement métaboliquement exigeant qui manque de réserves d'énergie substantielles – ; maintient un flux sanguin constant face aux fluctuations de la pression artérielle (autorégulation) mais s'appuie sur un processus de délivrance à la demande dans lequel l'activité neuronale déclenche une augmentation locale du flux sanguin pour distribuer sélectivement l’oxygène et les nutriments aux régions actives.
Cette augmentation dépendante de l'utilisation du flux sanguin local (hyperémie fonctionnelle), médiée par des mécanismes collectivement appelés couplage neurovasculaire (NVC), est essentielle au fonctionnement normal du cerveau et représente la base physiologique de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. En outre, les déficits du flux sanguin cérébral (CBF), y compris l'hyperémie fonctionnelle, sont une caractéristique précoce des maladies des petits vaisseaux (SVD) du cerveau et de la maladie d'Alzheimer bien avant les symptômes cliniques manifestes.
Mark Nelson, Ph.D., du Larner College of Medicine, Université du Vermont
L'apport sanguin cérébral dépend de mécanismes tels que la signalisation électrique, qui se propage à travers les réseaux capillaires jusqu'aux artérioles en amont pour délivrer le sang, et la signalisation calcique, qui ajuste le flux sanguin local. Pendant des années, on a pensé que ces mécanismes fonctionnaient de manière indépendante. Cependant, les recherches de Nelson révèlent que ces systèmes sont profondément interconnectés via le couplage E-Ca, où les signaux électriques améliorent l'entrée du calcium dans les cellules, amplifiant les signaux localisés et étendant leur influence aux cellules voisines.
L’étude a démontré que l’hyperpolarisation électrique dans les cellules capillaires se propage rapidement grâce à l’activation des canaux capillaires endothéliaux Kir2.1, des protéines spécialisées dans la membrane cellulaire qui détectent les changements dans les niveaux de potassium et amplifient les signaux électriques en les transmettant de cellule en cellule. Cela crée un signal électrique semblable à une onde qui traverse le réseau capillaire. Dans le même temps, les signaux calciques, initiés par les récepteurs IP3 (protéines situées dans les membranes des sites de stockage intracellulaires), libèrent le calcium stocké en réponse à des signaux chimiques spécifiques. Cette libération locale de calcium affine le flux sanguin en déclenchant des réponses vasculaires. Le couplage E-Ca relie ces deux processus, les ondes électriques générées par les canaux Kir2.1 améliorant l'activité du calcium, créant ainsi un système synchronisé qui ajuste le flux sanguin à la fois localement et sur de plus grandes distances.
Grâce à l’imagerie avancée et à des modèles informatiques, les chercheurs ont pu observer ce mécanisme en action. Ils ont découvert que les signaux électriques dans les cellules capillaires augmentaient l’activité du calcium de 76 %, augmentant ainsi considérablement sa capacité à influencer le flux sanguin. Lorsque l’équipe a imité l’activité cérébrale en stimulant ces cellules, les signaux calciques ont augmenté de 35 %, montrant comment ces signaux voyagent à travers le réseau capillaire. Fait intéressant, ils ont découvert que les signaux se propageaient uniformément dans tout le lit capillaire, garantissant ainsi que le flux sanguin est équilibré dans toutes les zones, sans privilégier une direction ou une autre.
« Récemment, l'équipe UVM a également démontré que les déficits du flux sanguin cérébral dans les maladies des petits vaisseaux du cerveau et la maladie d'Alzheimer pouvaient être corrigés par un cofacteur essentiel de la signalisation électrique », a noté Nelson. « Les travaux actuels indiquent que la signalisation calcique pourrait également être restaurée. Le « Saint Graal », pour ainsi dire, est de savoir si la restauration précoce du flux sanguin cérébral dans les maladies des vaisseaux sanguins cérébraux ralentit le déclin cognitif. »
Cette découverte souligne le rôle vital des capillaires dans la gestion du flux sanguin dans le cerveau. En identifiant comment les signaux électriques et calciques fonctionnent ensemble grâce au couplage électrocalcique, la recherche met en lumière la capacité du cerveau à diriger efficacement le sang vers les zones ayant la plus grande demande en oxygène et en nutriments. Ceci est particulièrement important car les perturbations du flux sanguin sont la marque de nombreuses maladies neurologiques, telles que les accidents vasculaires cérébraux, la démence et la maladie d'Alzheimer. Comprendre les mécanismes du couplage E-Ca offre un nouveau cadre pour explorer les traitements de ces affections, conduisant potentiellement à des thérapies qui rétablissent ou améliorent le flux sanguin et protègent la santé du cerveau. Cette percée permet également de mieux comprendre comment le cerveau maintient son équilibre énergétique, essentiel au maintien des fonctions cognitives et physiques.
