Contrairement au reste du corps, il n’y a pas assez d’espace dans le cerveau pour l’énergie stockée. Au lieu de cela, le cerveau s’appuie sur les centaines de kilomètres de vaisseaux sanguins qu’il contient pour fournir de l’énergie fraîche via le sang. Pourtant, la façon dont le cerveau exprime un besoin de plus d’énergie lors d’une activité accrue et dirige ensuite son apport sanguin vers des points chauds spécifiques était, jusqu’à présent, mal comprise.
Aujourd’hui, des chercheurs de la faculté de médecine de l’Université du Maryland et de l’Université du Vermont ont montré comment le cerveau communique avec les vaisseaux sanguins lorsqu’il a besoin d’énergie, et comment ces vaisseaux sanguins réagissent en se relaxant ou en se contractant pour diriger le flux sanguin vers des régions spécifiques du cerveau.
Dans leur nouvel article, publié le 21 juillet dans Avancées scientifiques, les chercheurs disent que comprendre comment le cerveau dirige l’énergie vers lui-même dans les moindres détails peut aider à déterminer ce qui ne va pas dans des conditions telles que la maladie d’Alzheimer et la démence, où un flux sanguin défectueux est un prédicteur de troubles cognitifs. Si le cerveau ne reçoit pas de sang là où il en a besoin quand il en a besoin, les neurones deviennent stressés et, avec le temps, ils se détériorent, entraînant finalement un déclin cognitif et des problèmes de mémoire.
Les grosses artères alimentent des vaisseaux de taille moyenne appelés artérioles qui alimentent ensuite des capillaires encore plus petits, si petits qu’une seule cellule sanguine peut les traverser à la fois. Dans un 2017 Neurosciences de la nature article, les chercheurs ont montré que des impulsions électriques traversant les capillaires dirigent le flux sanguin des artérioles de taille moyenne alimentant de grandes régions du cerveau. Pour ce dernier article, l’équipe souhaitait étudier le réglage fin du sang lorsqu’il circule dans les capillaires afin de réguler avec précision l’approvisionnement en énergie de minuscules régions du cerveau.
Il semble y avoir deux mécanismes fonctionnant en tandem pour s’assurer que l’énergie sous forme de sang parvient à des régions spécifiques du cerveau : l’une large et l’autre précise. Le premier mécanisme électrique est comme une approche de marteau pour amener plus de sang à proximité générale de l’activité cérébrale accrue en contrôlant les artérioles de taille moyenne, puis les signaux de calcium capillaire assurent un réglage fin exquis pour s’assurer que le sang arrive exactement au bon endroit. place au bon moment à travers les minuscules capillaires. »
Thomas Longden, Ph.D., professeur adjoint de physiologie, faculté de médecine de l’Université du Maryland
Le Dr Longden et ses collaborateurs ont utilisé une protéine qui émet une lumière verte lorsque le calcium augmente dans la cellule. Grâce aux efforts de l’équipe de Michael Kotlikoff à l’Université Cornell, ils ont pu activer cet outil dans les cellules tapissant les vaisseaux sanguins des souris. Les chercheurs ont ensuite regardé à travers de petites fenêtres dans le cerveau de ces souris pour étudier le rôle du calcium dans le contrôle du flux sanguin dans les capillaires du cerveau. Lorsque les cellules tapissant les vaisseaux sanguins ont reçu un afflux de calcium, elles sont devenues vertes. Ils ont détecté 5 000 signaux de calcium par seconde dans les capillaires de la minuscule section du cerveau visible à travers la fenêtre, ce qui, selon eux, représente environ 1 000 000 de ces réponses chaque seconde dans l’ensemble du système vasculaire du cerveau.
« Jusqu’à ce que nous déployions cette nouvelle technologie, il y avait ce monde totalement invisible de signalisation du calcium dans le cerveau à l’abri des regards, et maintenant nous pouvons voir une tonne d’activité dans les vaisseaux sanguins du cerveau – ils se déclenchent constamment », explique le Dr Longden.
Le Dr Longden et l’équipe de recherche ont ensuite disséqué le mécanisme cellulaire complexe derrière le rôle du calcium dans la direction du sang branche par branche à travers les minuscules vaisseaux du cerveau. Ils ont découvert que lorsque les neurones émettent des signaux électriques, ils provoquent une augmentation du calcium dans les cellules tapissant les vaisseaux sanguins. Ensuite, les enzymes détectent ce calcium et dirigent les cellules pour fabriquer de l’oxyde nitrique. L’oxyde nitrique est une hormone (et un gaz) qui provoque la relaxation des cellules musculaires autour des vaisseaux sanguins, ce qui élargit ensuite les vaisseaux permettant à plus de sang de circuler.
« Les capillaires étaient traditionnellement considérés comme de simples conduits pour les globules rouges et la barrière entre le sang et le cerveau », explique le co-auteur principal Mark T. Nelson, PhD, professeur émérite et président de pharmacologie à l’Université du Vermont. « Ici, nous avons révélé un univers inconnu de signalisation du calcium dans les capillaires, et tout comme les feux de circulation, ces signaux de calcium dirigent les nutriments vitaux vers les neurones actifs à proximité. »
« La première étape pour déterminer ce qui ne va pas dans les maladies est de déterminer comment le système fonctionne normalement », explique E. Albert Reece, MD, PhD, MBA, Vice-président exécutif pour les affaires médicales, UM Baltimore, et professeur distingué et doyen John Z. et Akiko K. Bowers, faculté de médecine de l’Université du Maryland. « Maintenant que les chercheurs maîtrisent le fonctionnement de ce processus, ils peuvent commencer à étudier comment le flux sanguin est perturbé dans la maladie d’Alzheimer et la démence afin de trouver des moyens d’y remédier. »
