Группа ученых UVM под руководством Марка Нельсона, доктора философии, из Медицинского колледжа Ларнера при Университете Вермонта, открыла новый механизм, который меняет наше понимание того, как регулируется кровоток в мозге. Исследование, опубликованное в The Proceedings of the National Academy of Sciences, представляет электрокальциевую (E-Ca) связь, процесс, который объединяет электрические и кальциевые сигналы в капиллярах мозга для обеспечения точной доставки кровотока к активным нейронам.

В организме человека кровь поступает в мозг из поверхностных артерий через проникающие артериолы, или очень мелкие кровеносные сосуды , ответвляющиеся от артерий, и сотни миль капилляров, которые значительно расширяют территорию перфузии.

Мозг — орган с высоким уровнем метаболизма, не обладающий значительными запасами энергии, — поддерживает постоянный приток крови в условиях колебаний артериального давления (ауторегуляция), но полагается на процесс доставки по требованию, при котором активность нейронов вызывает локальное увеличение притока крови для избирательного распределения кислорода и питательных веществ в активные области.

«Это зависящее от использования увеличение локального кровотока (функциональная гиперемия), опосредованное механизмами, которые в совокупности называются нейроваскулярным сопряжением (НВС), необходимо для нормальной работы мозга и представляет собой физиологическую основу функциональной магнитно-резонансной томографии », — сказал Нельсон.

«Более того, дефицит мозгового кровотока (МК), включая функциональную гиперемию, является ранним признаком заболеваний мелких сосудов (ЗМС) мозга и болезни Альцгеймера задолго до появления явных клинических симптомов».

Доставка крови к мозгу зависит от таких механизмов, как электрическая сигнализация, которая распространяется через капиллярные сети к вышестоящим артериолам для доставки крови, и кальциевая сигнализация , которая точно настраивает локальный кровоток. В течение многих лет считалось, что эти механизмы работают независимо.

Однако исследования Нельсона показывают, что эти системы глубоко взаимосвязаны посредством связи E-Ca, где электрические сигналы усиливают поступление кальция в клетки, усиливая локализованные сигналы и распространяя их влияние на соседние клетки.

Исследование показало, что электрическая гиперполяризация в капиллярных клетках быстро распространяется посредством активации капиллярных эндотелиальных каналов Kir2.1, специализированных белков в клеточной мембране , которые обнаруживают изменения уровня калия и усиливают электрические сигналы, передавая их от клетки к клетке. Это создает волнообразный электрический сигнал, который перемещается по капиллярной сети.

В то же время сигналы кальция, инициированные рецепторами IP3 — белками, расположенными в мембранах внутриклеточных мест хранения, — высвобождают сохраненный кальций в ответ на определенные химические сигналы. Это локальное высвобождение кальция тонко настраивает кровоток, вызывая сосудистые реакции.

Связь E-Ca объединяет эти два процесса, при этом электрические волны, генерируемые каналами Kir2.1, усиливают активность кальция, создавая синхронизированную систему, которая регулирует кровоток как локально, так и на более широких расстояниях.

Используя передовые визуализации и компьютерные модели, исследователи смогли наблюдать этот механизм в действии. Они обнаружили, что электрические сигналы в капиллярных клетках повышают активность кальция на 76%, значительно увеличивая его способность влиять на кровоток.

Когда команда имитировала мозговую активность, стимулируя эти клетки, сигналы кальция увеличились на 35%, показывая, как эти сигналы проходят через капиллярную сеть. Интересно, что они обнаружили, что сигналы равномерно распространяются по всему капиллярному руслу, обеспечивая сбалансированный кровоток во всех областях, без предпочтения того или иного направления.

«Недавно группа ученых из UVM также продемонстрировала, что дефицит мозгового кровотока при заболеваниях мелких сосудов мозга и болезни Альцгеймера можно скорректировать с помощью важного кофактора электрической сигнализации», — отметил Нельсон.

«Текущая работа показывает, что кальциевую сигнализацию также можно восстановить. «Святой Грааль», так сказать, заключается в том, замедляет ли раннее восстановление мозгового кровотока при заболеваниях кровеносных сосудов мозга снижение когнитивных функций».

Это открытие подчеркивает важную роль капилляров в управлении кровотоком в мозге. Выявив, как электрические и кальциевые сигналы работают вместе посредством электрокальциевой связи, исследование проливает свет на способность мозга эффективно направлять кровь в области с наибольшей потребностью в кислороде и питательных веществах.

Это особенно важно, поскольку нарушения кровотока являются отличительной чертой многих неврологических состояний, таких как инсульт, деменция и болезнь Альцгеймера. Понимание механизмов связи E-Ca предлагает новую основу для изучения методов лечения этих состояний, что потенциально приводит к терапии, которая восстанавливает или улучшает кровоток и защищает здоровье мозга.

Это достижение также обеспечивает более глубокое понимание того, как мозг поддерживает свой энергетический баланс , что имеет решающее значение для поддержания когнитивных и физических функций.