Resumen: El calcio dirige el flujo sanguíneo en el cerebro al controlar las contracciones de los vasos sanguíneos, revela un nuevo estudio.
Fuente: Universidad de Maryland
A diferencia del resto del cuerpo, no hay suficiente espacio en el cerebro para la energía almacenada. En cambio, el cerebro depende de los cientos de kilómetros de vasos sanguíneos que contiene para suministrar energía fresca a través de la sangre. Sin embargo, hasta ahora no se entendía bien cómo el cerebro expresa una necesidad de más energía durante el aumento de la actividad y luego dirige su suministro de sangre a puntos calientes específicos.
Ahora, investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland y la Universidad de Vermont han demostrado cómo el cerebro se comunica con los vasos sanguíneos cuando necesitan energía y cómo estos vasos sanguíneos responden relajándose o contrayéndose para dirigir el flujo sanguíneo a regiones específicas del cerebro.
En su nuevo artículo, publicado el 21 de julio en Science Advances , los investigadores dicen que comprender cómo el cerebro dirige la energía hacia sí mismo con intrincados detalles puede ayudar a determinar qué sale mal en condiciones como la enfermedad de Alzheimer y la demencia, donde el flujo sanguíneo defectuoso es un predictor de deterioro cognitivo.
Si el cerebro no lleva sangre a donde la necesita cuando la necesita, las neuronas se estresan y, con el tiempo, se deterioran, lo que conduce finalmente a un deterioro cognitivo y problemas de memoria.
Las arterias grandes alimentan vasos de tamaño mediano conocidos como arteriolas que luego alimentan capilares aún más pequeños, tan pequeños que solo una célula sanguínea puede pasar a la vez. En un artículo de Nature Neuroscience de 2017 , los investigadores demostraron que los pulsos eléctricos que atraviesan los capilares dirigen el flujo sanguíneo desde las arteriolas de tamaño mediano que irrigan grandes regiones del cerebro.
Para este último artículo, el equipo quería estudiar el ajuste fino de la sangre a medida que fluye a través de los capilares para regular con precisión el suministro de energía a pequeñas regiones del cerebro.
«Parece haber dos mecanismos que funcionan en conjunto para garantizar que la energía en forma de sangre llegue a regiones específicas del cerebro: una amplia y la otra precisa», dice Thomas Longden, Ph.D., profesor asistente de fisiología en Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland.
“El primer mecanismo eléctrico es como un enfoque de mazo para llevar más sangre a la vecindad general del aumento de la actividad cerebral mediante el control de las arteriolas de tamaño mediano, y luego las señales de calcio capilar aseguran un ajuste fino exquisito para asegurarse de que la sangre llegue exactamente a el lugar correcto en el momento correcto a través de los capilares diminutos «.
El Dr. Longden y sus colaboradores utilizaron una proteína que emite luz verde cuando aumenta el calcio en la célula. Gracias a los esfuerzos del equipo de Michael Kotlikoff en la Universidad de Cornell, pudieron activar esta herramienta en las células que recubren los vasos sanguíneos de los ratones.
Luego, los investigadores miraron a través de pequeñas ventanas en el cerebro de estos ratones para investigar el papel del calcio en el control del flujo sanguíneo en los capilares del cerebro. Cuando las células que recubren los vasos sanguíneos recibieron un influjo de calcio, brillaron de color verde. Detectaron 5.000 señales de calcio por segundo en los capilares de la pequeña sección del cerebro visible a través de la ventana, lo que, según ellos, equivale aproximadamente a 1.000.000 de estas respuestas por segundo en todo el sistema de vasos sanguíneos del cerebro.
“Hasta que implementamos esta nueva tecnología, existía este mundo completamente invisible de señales de calcio en el cerebro oculto a la vista, y ahora podemos ver una tonelada de actividad dentro de los vasos sanguíneos del cerebro, están constantemente encendidos”, dice el Dr. Longden.
El Dr. Longden y el equipo de investigación luego diseccionaron el intrincado mecanismo celular detrás del papel del calcio en la dirección de la sangre rama por rama a través de los diminutos vasos del cerebro. Descubrieron que cuando las neuronas disparan señales eléctricas, provocan un aumento de calcio en las células que recubren los vasos sanguíneos. Luego, las enzimas detectan este calcio y dirigen a las células a producir óxido nítrico. El óxido nítrico es una hormona (y un gas) que hace que las células parecidas a los músculos alrededor de los vasos sanguíneos se relajen, lo que luego ensancha los vasos permitiendo que fluya más sangre.
“Tradicionalmente se pensaba que los capilares eran simples conductos para los glóbulos rojos y la barrera entre la sangre y el cerebro”, dice el coautor principal Mark T. Nelson, PhD, profesor distinguido y presidente de farmacología de la Universidad de Vermont. «Aquí, revelamos un universo desconocido de señales de calcio en los capilares y, al igual que los semáforos, estas señales de calcio dirigen nutrientes vitales a las neuronas activas cercanas».
«El primer paso para averiguar qué es lo que falla en las enfermedades es determinar cómo funciona el sistema como debería», dice E. Albert Reece, MD, PhD, MBA, Vicepresidente Ejecutivo de Asuntos Médicos, UM Baltimore, y John Z. y Akiko K. Bowers Profesora Distinguida y Decana de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland.
«Ahora que los investigadores saben cómo funciona este proceso, pueden comenzar a investigar cómo se interrumpe el flujo sanguíneo en la enfermedad de Alzheimer y la demencia para encontrar formas de solucionarlo».
Fondos: Este estudio fue apoyado por la Asociación Estadounidense del Corazón, Totman Medical Research Trust, Fondation Leducq, el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, la Fundación Henry M. Jackson para el Avance de la Medicina Militar, el Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y Sangre (P01-HL-095488, R01-HL-121706, R37-DK-053832, 7UM-HL-1207704, R01-HL-131181, R24HL120847, R01HL120323 y R35HL140027), el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales (4P20 GM103644 / 4-5, P20-GM-135007), el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (R01NS110656), el Instituto Nacional sobre el Envejecimiento (R01AG066645), el Centro Vermont de Salud Cardiovascular y Cerebral, el Centro TMF de la Universidad de California Irvine apoyado por el Instituto Nacional del Cáncer (P30-CA062203) y la Unidad de Investigación financiada por la Fundación Alemana de Investigación (DFG).
El Dr. Longden recibió recientemente el Premio al nuevo innovador del director de los NIH de la Oficina del Director de los Institutos Nacionales de Salud (DP2OD02944801).
Fuente: Universidad de Maryland
Contacto: Vanessa McMains – Universidad de Maryland
Imagen: La imagen se atribuye a Thomas Longden
Investigación original: el estudio aparecerá en Science Advances
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