Des chercheurs du Mark et Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) de la Keck School of Medicine de l’USC ont développé une nouvelle méthode non invasive pour examiner comment le flux sanguin et l’organisation cellulaire s’alignent à travers les couches du cerveau humain vivant.
L’étude, publiée dans Communications naturellesintroduit l’indice de similarité d’intensité de coloration du flux sanguin cérébral et du corps cellulaire, ou CCSI. Cela pourrait aider les scientifiques à comprendre comment les vaisseaux sanguins, les cellules et les machines productrices d’énergie travaillent ensemble pour soutenir le fonctionnement du cerveau. L’espoir est que le CCSI puisse éventuellement offrir un aperçu des premiers signes de maladie et des traitements potentiels.
Le cortex cérébral, la couche externe repliée du cerveau, contient des couches avec différents nombres et types de cellules. Ces cellules ont besoin d’un apport continu d’oxygène et de nutriments, mais les chercheurs disposent d’outils limités pour étudier la manière dont le flux sanguin correspond à sa répartition dans le cerveau vivant.
« Le cerveau n’a presque aucune capacité à stocker de l’énergie, donc ses cellules dépendent d’un apport constant et soigneusement régulé provenant de la circulation sanguine », a déclaré Fanhua Guo, co-premier auteur de l’étude et chercheur au Stevens INI. « Notre nouvelle mesure nous permet d’étudier dans quelle mesure cet approvisionnement en énergie est positionné pour répondre aux demandes cellulaires dans différentes parties du cortex. »
Cartographie du flux sanguin à travers les couches corticales
Les chercheurs ont utilisé le marquage du spin artériel, ou ASL, une technique d’IRM non invasive qui marque magnétiquement l’eau dans le sang et la suit dans les tissus cérébraux. Un puissant scanner IRM de 7 Tesla a mesuré le flux sanguin dans tout le cerveau avec une résolution d’un millimètre cube. L’étude a inclus 30 adultes en bonne santé ; 14 est revenu pour un deuxième scan afin de tester la cohérence des mesures.
L’équipe a divisé le cortex en 360 régions et a examiné le flux sanguin à plusieurs profondeurs. Ils ont comparé ces modèles avec les données de coloration du corps cellulaire de BigBrain, une reconstruction numérique tridimensionnelle détaillée d’un cerveau humain qui cartographie la densité des cellules dans le cortex.
« L’imagerie cérébrale conventionnelle fait souvent la moyenne des informations sur toute l’épaisseur du cortex, mais le cortex n’est pas une feuille uniforme », a déclaré Chenyang Zhao, co-premier auteur de l’étude et chercheur au Stevens INI. « En imagerie du flux sanguin à très haute résolution, nous pouvons commencer à voir comment la perfusion change de la surface externe du cortex vers ses couches plus profondes. »
« Les neurosciences entrent dans une ère où nous pouvons combiner l’imagerie cérébrale avancée avec des cartes détaillées des cellules cérébrales, de l’expression des gènes et du métabolisme », a déclaré Ravi R. Bhatt, PhD, chercheur postdoctoral à l’INI Stevens. « Chaque carte offre une vue différente du cerveau et, ensemble, elles révèlent des schémas qui autrement resteraient cachés. »
Le score CCSI résultant mesurait à quel point le flux sanguin et la densité cellulaire suivaient le même schéma dans la profondeur corticale. Des scores plus élevés indiquaient que les couches denses en cellules avaient tendance à recevoir davantage de flux sanguin. Le flux sanguin et l’organisation cellulaire s’alignent dans la plupart des régions corticales, ce qui signifie que dans une région donnée, le flux sanguin a tendance à être le plus élevé dans les couches contenant le plus de cellules, bien que sa force varie dans le cerveau. L’alignement était le plus fort dans les zones visuelles et sensorimotrices primaires, qui soutiennent la vision, le mouvement et le toucher.
Connecter le flux sanguin au système énergétique du cerveau
Pour clarifier ce que représente biologiquement le CCSI, les chercheurs l’ont comparé à des cartes de l’activité mitochondriale, des types de cellules et de l’expression des gènes.
Les mitochondries convertissent les nutriments et l’oxygène en énergie utilisable. Les régions où le flux sanguin et l’organisation cellulaire s’alignaient plus fortement avaient également une plus grande capacité respiratoire mitochondriale, la vitesse maximale à laquelle les mitochondries peuvent produire de l’énergie, ce qui suggère qu’elles pourraient être mieux équipées pour répondre aux demandes énergétiques locales.
La relation concernait la capacité mitochondriale, et pas seulement le nombre de mitochondries. Le débit sanguin total n’a pas montré la même association, ce qui suggère que le CCSI révèle une organisation métabolique que les mesures standard du débit sanguin peuvent manquer.
« Le flux sanguin nous indique la quantité de sang qui atteint une région, mais il ne nous indique pas comment cet approvisionnement est distribué par rapport aux cellules qui en ont besoin », a déclaré Danny JJ Wang, PhD, auteur principal et correspondant de l’étude, professeur de neurologie et directeur de l’innovation technologique en imagerie au Stevens INI. « CCSI ajoute que les informations spatiales manquantes peuvent fournir une image plus significative sur le plan biologique de la façon dont l’approvisionnement vasculaire prend en charge l’utilisation de l’énergie à travers les couches corticales. »
Le CCSI était également associé aux cellules endothéliales capillaires, qui tapissent les plus petits vaisseaux sanguins et aident à réguler la manière dont le sang atteint les tissus environnants. Il était également associé à des oligodendrocytes matures, des cellules cérébrales qui produisent la couche protectrice de myéline autour des fibres nerveuses. Étant donné que les oligodendrocytes soutiennent également le métabolisme des fibres nerveuses, les résultats suggèrent qu’ils pourraient aider à relier l’apport vasculaire aux besoins énergétiques des neurones.
L’activité génétique a en outre lié le CCSI au métabolisme énergétique, au développement des vaisseaux sanguins, à l’organisation vasculaire et aux mitochondries saines. Ensemble, les résultats suggèrent que l’alignement du flux sanguin et de la structure cellulaire reflète un système coordonné impliquant les vaisseaux sanguins, les cellules de soutien et la production d’énergie.
Aider à expliquer les régions les plus complexes du cerveau
Les chercheurs ont également demandé si le CCSI pouvait aider à expliquer la relation entre la structure et la fonction du cerveau. Cette connexion est généralement étroite dans les régions sensorielles et motrices, mais moins directe dans les régions d’association d’ordre supérieur, qui soutiennent la mémoire, le raisonnement et l’attention.
Les chercheurs ont testé cela en utilisant une analyse de couplage structurel-fonctionnel qui prédit la fonction cérébrale à partir des caractéristiques structurelles du cortex. L’ajout de CCSI a considérablement amélioré la capacité des modèles à prédire le fonctionnement dans ces régions d’ordre supérieur. Les résultats suggèrent que les facteurs métaboliques et vasculaires façonnent le fonctionnement cérébral d’une manière que la structure cellulaire ne peut à elle seule expliquer.
« Cette étude relie plusieurs niveaux d’organisation cérébrale, depuis les vaisseaux sanguins et les mitochondries jusqu’aux cellules, couches corticales et expression génétique », a déclaré Arthur W. Toga, PhD, directeur de l’INI Stevens. « En réunissant ces sources d’informations, les chercheurs ont créé un nouveau cadre pour étudier comment le cerveau vivant répond à ses extraordinaires besoins énergétiques. »
L’étude n’établit pas qu’un alignement plus fort entraîne une utilisation plus efficace de l’énergie. Ses comparaisons moléculaires et cellulaires reposaient sur des atlas de référence provenant d’un nombre limité de donneurs post-mortem, et le CCSI mesure actuellement des groupes plutôt que des individus. Les futures études testeront des populations plus larges et plus variées et exploreront les changements liés au vieillissement et aux troubles neurologiques ou psychiatriques.
Des perturbations du flux sanguin, du métabolisme et de la fonction des oligodendrocytes se produisent dans la maladie d’Alzheimer, la sclérose en plaques, la schizophrénie et l’épilepsie. Le CCSI pourrait éventuellement aider les chercheurs à étudier comment ces systèmes se déconnectent.
« Comprendre la relation saine entre l’approvisionnement vasculaire et l’organisation cellulaire est une première étape importante », a déclaré Neda Jahanshad, PhD, professeur de neurologie et de génie biomédical à l’INI Stevens. « L’objectif à long terme est de déterminer si des changements dans cette relation peuvent révéler des signes précoces de maladie ou nous aider à évaluer des traitements visant à restaurer le métabolisme cérébral et la santé vasculaire. L’espoir est que le CCSI puisse éventuellement offrir un aperçu des premiers signes de maladie et des traitements potentiels.
