Las representaciones a pequeña escalera resuelven un enigma centenario sobre el uso de la energía cerebral y los grupos de vasos sanguíneos

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Nuestros cerebros son consumidores ininterrumpidos. Un laberinto de vasos sanguíneos, apilados de un extremo a otro, comparable en longitud a la distancia de San Diego a Berkeley, asegura un flujo continuo de oxígeno y azúcar para mantener nuestro cerebro funcionando a niveles máximos.

Pero, ¿cómo se asegura este intrincado sistema de que las partes más activas del cerebro obtengan suficiente nutrición que las áreas menos exigentes? Este es un problema de siglos de antigüedad en neurociencia que científicos de la Universidad de California en San Diego ayudaron a responder en un estudio publicado recientemente.

Al estudiar los cerebros de ratones, un equipo de investigadores dirigido por Xiang Ji, David Kleinfeld y sus colegas descifraron la cuestión del consumo de energía cerebral y la densidad de los vasos sanguíneos a través de mapas recientemente desarrollados que detallan el cableado del cerebro con una resolución más fina que una millonésima de metro. , o una centésima parte del grosor de un cabello humano.

Como resultado del trabajo en la intersección de la biología y la física, los nuevos mapas proporcionan nuevos conocimientos sobre estos «microvasos» y sus diversas funciones en las cadenas de suministro de sangre. Las técnicas y tecnologías subyacentes a los hallazgos se describen el 2 de marzo en la revista. Neurona.

«Hemos desarrollado una tubería experimental y computacional para etiquetar, visualizar y reconstruir el sistema microvascular en todo el cerebro del ratón con una integridad y precisión sin precedentes», dijo Kleinfeld, profesor del Departamento de Física (División de Ciencias Físicas) y Sección de UC San Diego Neurobiología (División de Ciencias Biológicas). Kleinfeld dice que el esfuerzo fue de naturaleza similar a la ingeniería inversa. «Esto le permitió a Xiang realizar cálculos sofisticados que no solo vincularon el uso de la energía cerebral con la densidad de los vasos, sino que también predijeron un punto de inflexión entre la pérdida de capilares cerebrales y una disminución repentina de la salud cerebral».

Las preguntas relacionadas con cómo los vasos sanguíneos llevan la nutrición a las regiones activas y menos activas se han planteado como un problema general en fisiología desde la década de 1920. En la década de 1980, una tecnología conocida como autorradiografía, la predecesora de la tomografía por emisión de positrones (PET) moderna, permitió científicos para medir la distribución del metabolismo del azúcar en el cerebro del ratón.

Para comprender y resolver completamente el problema, Ji, Kleinfeld y sus colegas en el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes y la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs llenaron el 99,9% de los vasos en el cerebro del ratón, un recuento de casi 6,5 millones. – – con un gel etiquetado con tinte. Luego obtuvieron imágenes de toda la extensión del cerebro con una precisión submicrométrica. Esto llevó a quince billones de vóxeles, o elementos volumétricos individuales, por cerebro, que se transformaron en una red vascular digital que podría analizarse con herramientas de ciencia de datos.

Con sus nuevos mapas en la mano, los investigadores determinaron que la concentración de oxígeno es aproximadamente la misma en todas las regiones del cerebro. Pero encontraron que los vasos sanguíneos pequeños son los componentes clave que compensan las diferentes necesidades energéticas. Por ejemplo, los tractos de materia blanca, que transfieren impulsos nerviosos a través de los dos hemisferios cerebrales y a la médula espinal, son regiones de baja energía. Los investigadores identificaron los niveles más bajos de vasos sanguíneos allí. Por el contrario, las regiones del cerebro que coordinan la percepción del sonido utilizan tres veces más energía y, descubrieron, tenían un nivel mucho más alto de densidad de vasos sanguíneos.

«En la era de la creciente complejidad que se revela en los sistemas biológicos, es fascinante observar el surgimiento de reglas de diseño simples y cuantitativas compartidas que subyacen en las redes aparentemente complicadas entre los cerebros de los mamíferos», dijo Ji, un estudiante de posgrado en física.

A continuación, los investigadores esperan profundizar en los aspectos más finos de sus nuevos mapas para determinar los patrones detallados del flujo sanguíneo dentro y fuera de todo el cerebro. También buscarán la relación en gran parte inexplorada entre el cerebro y el sistema inmunológico.

Los autores del artículo incluyen a Xiang Ji, Tiago Ferreira, Beth Friedman, Rui Liu, Hannah Liechty, Erhan Bas, Jayaram Chandrashekar y David Kleinfeld.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad de California – San Diego. Original escrito por Mario Aguilera. Nota: el contenido se puede cambiar por estilo y longitud.

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