Нервы и кровеносные сосуды живут тесно переплетенной жизнью. Они растут вместе, следуя одним и тем же сигналам, поскольку распространяются по всему телу. Кровеносные сосуды снабжают нервы кислородом и питательными веществами, а нервы контролируют расширение кровеносных сосудов и частоту сердечных сокращений.
Нервно-сосудистые отношения особенно важны в мозге. Исследования показали, что когда нейроны усердно работают, кровоток увеличивается, чтобы поддерживать их питание. Ученые спрашивают, изменяет ли нейронная активность структуру локальных сосудистых сетей.
Согласно новому исследованию, опубликованному в сентябре. 3 выпуск Neuron, ответ – да.
В серии исследований на мышах доцент нейробиологии Гарвардской медицинской школы Чэнхуа Гу и постдокторский исследователь Батист Лакост обнаружили, что снижение нейронной активности за счет сенсорной депривации привело к менее сложным сосудистым сетям по сравнению с контрольной группой. Повышение нейронной активности посредством сенсорной стимуляции привело к более сложным сосудистым сетям.
"Демонстрируя, что нервная активность, помимо хорошо известного контроля мозгового кровотока, также влияет на структуру сосудов, наше исследование раскрывает новый аспект нейрососудистых взаимодействий," сказал Гу.
Полученные данные ставят под сомнение ранее существовавшее мнение о том, что, за исключением случаев заболевания, только генетически закодированные сигналы контролируют построение сосудистых сетей.
"Генетическое программирование отвечает за определенный рост сосудов в течение нескольких недель после рождения. Мы показываем, что дополнительный компонент теряется, если вы не стимулируете нервную активность посредством сенсорных входов," сказал Лакост, который является первым автором исследования. "Наша модель предполагает, что для полноценного построения и созревания вашей сосудистой системы вашему мозгу необходимы генетические программы, а также уточнение с помощью нейронной активности."
Трехмерная визуализация выявила сосудистые изменения, которые могли быть упущены в двумерных исследованиях. Видео: Батист Лакост
Результаты могут повлиять на использование медицинских методов визуализации, которые измеряют кровоток, включая фМРТ, и могут помочь в лечении ранних состояний, когда кровоток в головном мозге ограничен.
Гу, Лакост и его коллеги из HMS и Brigham and Women’s Hospital использовали усы мыши в качестве модельной системы. В частности, они изучили область мозга мыши, называемую бочкообразной корой, где каждый бочкообразный пучок аксонов (нервных волокон) обрабатывает активность отдельного уса.
Исследователи использовали генную маркировку, чтобы аксоны, которые они хотели изучить, светились красным, а кровеносные сосуды – зеленым. Они также использовали систему трехмерного изображения высокого разрешения и отправили свои слепые данные своим сотрудникам из Университета Сан-Паулу в Бразилии для вычислительного анализа.
В последовательных экспериментах они вызывали сенсорную депривацию у мышей тремя разными способами: прижигая ряды усов, генетически снижая передачу сенсорных сигналов в коре головного мозга и удаляя усы, чтобы увидеть, изменилась ли сложность сосудов.
Команда обнаружила, что при падении нейронной активности в коре головного мозга уменьшается длина кровеносных сосудов и количество ветвей кровеносных сосудов.
Чтобы быть еще более уверенным в том, что сенсорная нервная активность изменила структуру сосудов, команда попробовала противоположный подход: стимулирование усов мышей. Увеличилась нервная активность, увеличилась длина сосудов и их разветвление.
"Было очень интересно увидеть, что сенсорная депривация и стимуляция оказывают противоположное влияние – что окружающая среда мышей помогает им формировать их сосудистую сеть," сказал Lacoste. "Это говорит о том, что сенсорная стимуляция может иметь важное значение у людей."
Следующим шагом команды будет поиск моста, соединяющего нервную активность и сосудистую структуру. Они подозревают, что ответ может относиться к астроцитам, звездчатым клеткам центральной нервной системы, количество которых в пять раз превышает число нейронов.
Помимо выявления возможной роли воздействия окружающей среды в формировании сосудистой структуры головного мозга, исследование предоставляет более подробную временную шкалу развития сосудов в коре головного мозга до и после рождения. Это могло бы помочь врачам и исследователям лучше понять, испытывают ли люди "критический период" во время которого сенсорный ввод имеет решающее значение для здоровой цереброваскулярной структуры.
Хотя результаты являются предварительными, они могут иметь клиническое значение в будущем. Радиологи, выполняющие функциональные визуализационные тесты, зависящие от уровня кислорода в крови (BOLD), такие как фМРТ, которые измеряют кровоток в качестве индикатора нейронной активности, могут использовать дополнительные параметры при изучении сенсорных областей мозга, таких как слепые или слепые. глухие люди, сказал Лакост.
Работа также поднимает вероятность того, что сенсорная стимуляция может противодействовать некоторым повреждениям сосудов, которые возникают у младенцев, перенесших инсульт или другие состояния, ограничивающие кровоток в головном мозге.
"Может оказаться, что сенсорная стимуляция увеличивает ангиогенез в поврежденной области," сказал Lacoste. "Действия в этом месте в этот момент могут быть полезны."