Здоровые кровеносные сосуды важны не только для здоровья сердца. Благополучие сосудов имеет решающее значение для здоровья мозга и потенциально для решения проблемы возрастного снижения когнитивных способностей и нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, согласно новому исследованию, проведенному исследователями из Университета штата Пенсильвания. Результаты указывают на недостаточно изученную, но возможную ключевую роль сосудистой сети мозга — или энергетической инфраструктуры — в возникновении нейродегенеративных заболеваний.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications .

Используя передовые методы визуализации, команда разработала карты мозга мыши, которые иллюстрируют, как сосудистые клетки и структуры, такие как кровеносные сосуды, изменяются с возрастом, и определила области, которые уязвимы для ухудшения. Когда кровеносные сосуды деградируют, нервные клетки в мозге, называемые нейронами, испытывают недостаток энергии, что приводит к их сбоям или смерти. Это может привести к состоянию, называемому сосудистой деменцией, второй по значимости причине когнитивных нарушений у пожилых людей , и таким симптомам, как нарушение сна.

«В случае с болезнью Альцгеймера к тому времени, как вы увидите сосудистые изменения и значительное уменьшение мозга на МРТ, гибель клеток уже произошла. Нам нужно понять, как эти клетки и структуры изменяются, прежде чем произойдет крупная катастрофа», — сказал Ёнсу Ким, доцент кафедры нейронных и поведенческих наук в Медицинском колледже штата Пенсильвания и старший автор исследования. «Это исследование предоставляет ранние признаки нейродегенеративных расстройств, потенциально ведущие к более ранней диагностике, и подсказки о том, как мы можем замедлить процесс старения и когнитивные изменения».

По словам Кима, старение является одним из основных факторов, влияющих на нейродегенеративные заболевания.

«Тем не менее, у нас действительно нет хорошего базового понимания того, как нормальное старение само по себе изменяет мозг, особенно сосудистую систему мозга», — сказал Ким. И с ростом стареющего населения в Соединенных Штатах, он сказал, что критически важно понимать эти изменения, особенно в сети кровеносных сосудов.

Кровяные сосуды, особенно микрососуды, регулируют подачу кислорода и энергии, а также удаление отходов к нейронам и от них. Несмотря на свою важность, сказал Ким, большинство существующих исследований сосредоточены на том, как структура и функции нейронов дегенерируют со временем, а не на сосудистой системе. Когда исследователи действительно изучают сосудистую систему мозга, они в первую очередь изучают более крупные кровеносные сосуды или сосредотачиваются на одной, легкодоступной области мозга, соматосенсорной коре. Что еще важнее, типичные методы нейровизуализации, такие как МРТ, не обеспечивают достаточно высокого разрешения, чтобы увидеть, что происходит в крошечных кровеносных сосудах, которые составляют 80–85 % сосудистой системы мозга, по словам Кима.

Ким и исследовательская группа создали подробную карту сосудистой сети всего мозга мыши, используя два метода 3D-картирования с высоким разрешением: серийную двухфотонную томографию — метод, который создает серию сложенных 2D-изображений — и микроскопию флуоресценции светового листа, которая визуализирует неповрежденные 3D-образцы для визуализации всего мозга с разрешением одной клетки. Они визуализировали мозг молодых и старых мышей, чтобы составить карту изменений сосудистой сети по всему мозгу при нормальном старении.

«Поскольку мы делаем высокоразрешающее картирование с достаточным разрешением, мы можем реконструировать всю сосудистую структуру и сканировать весь мозг, чтобы определить области, которые подвергаются избирательной дегенерации с возрастом», — сказал Ким. «Мы обнаружили, что область, которую изучает большинство людей, показала наименьшее количество изменений, тогда как глубокие изменения происходят в областях в глубоких областях мозга. Это говорит о том, что мы смотрели не на ту область, когда дело доходит до исследований старения».

Изображения показали, что изменения в сосудистой сети не происходят равномерно по всему мозгу. Скорее, они были сосредоточены в базальном переднем мозге, глубоких слоях коры и гиппокампальной сети, что предполагает, что эти области более уязвимы к сосудистой дегенерации. Эти области играют роль во внимании, сне, обработке памяти и хранении, среди прочих функций.

По мере старения мозга длина сосудов и плотность их разветвлений уменьшаются примерно на 10%, что указывает на то, что сеть для распределения крови становится более разреженной. Артерии в старом мозге также кажутся более извилистыми по сравнению с артериями в молодом мозге, что может затруднять приток крови, особенно в области, расположенные дальше от основных артерий, такие как глубокие корковые слои, объяснил Ким.

Команда также изучила функциональные изменения сосудистой сети и обнаружила, что система реагирует медленнее в стареющем мозге. Это означает, что она не может снабжать нейроны энергией так быстро и легко, как это может потребоваться клеткам. Также происходит потеря перицитов, типа клеток, которые регулируют кровоснабжение и проницаемость кровеносных сосудов. В результате кровеносные сосуды становятся «протекающими», что ставит под угрозу гематоэнцефалический барьер.

Это исследование основано на предыдущем исследовании группы, где они картировали сосудистую сеть мозга молодой мыши. Далее они будут изучать, как изменения в мозге, вызванные болезнью Альцгеймера, влияют на здоровье сосудов и нейронную функцию. В конечном итоге, как они сказали, они надеются, что их работа приведет к лечению нейродегенеративных расстройств.

Ханна Беннетт, обладательница двойной медицинской степени и аспирантка, и Стеффи Манджила, научный сотрудник, совместно руководили исследованием вместе с Цингуаном Чжаном, который на момент исследования был доцентом-исследователем в Университете штата Пенсильвания, а в настоящее время является доцентом в Университете штата Мичиган, и Юань-тин У, который ранее был научным сотрудником в Университете штата Пенсильвания, а в настоящее время является научным сотрудником проекта в Медицинском центре Cedars-Sinai. Другие авторы статьи из Университета штата Пенсильвания включают Патрика Дрю, профессора инженерных наук и механики, нейрохирургии, биологии и биомедицинской инженерии и временного директора Институтов наук о жизни Хака; Юри Чон, технический специалист; Донхуэй Шин, технический специалист; Дэниел Ванселоу, менеджер исследовательских проектов; Хён-Дже Пи, специалист по данным.