Elektriska-, och kalciumsignaler förenas
Elektriska signaler och kalciumsignaler förenas för att öka hjärnans funktion
Ett team av UVM-forskare ledda av Mark Nelson, Ph.D., från Larner College of Medicine vid University of Vermont, har upptäckt en ny mekanism som omformar vår förståelse av hur blodflödet regleras i hjärnan.
Studien, publicerad i The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), en tidskrift från National Academy of Sciences (NAS), introducerar Electro-Calcium (E-Ca) Coupling, en process som integrerar elektrisk och kalciumsignalering i hjärnans kapillärer, som enormt utökar perfusionens territorium.
Hjärnan - ett mycket krävande organ som saknar betydande energireserver - upprätthåller ett konstant blodflöde inför blodtrycksfluktuationer (autoreglering) men förlitar sig på en leveransprocess på begäran dör neuroaktivitet utlöser en lokal ökning av blodflödet fö att selektivt distribuera syre och näringsämnen till aktiva regioner.
"Denna användningsberoende ökningen av lokalt blodflöde (funktionell hyperemi), förmedlad av mekanismer som kollektivt kallas neurovaskulär koppling (NVC), är avgörande för normal hjärnfunktion och representerar den fysiologiska grunden för funktionell magnetisk resonsanstomografi", säger Nelson.
"Dessutom är brister i cerebralt blodflöde (CBF) inklusive funktionell hyperemi ett tidigt inslag i små kärlsjukdomar (SVD) i hjärnan och Alzheimers långt innan tydliga kliniska symtom."
Cerebral blodleverans beror på mekanismer som elektrisk signalering, som fortplantar sig genom kapillärnätverk till arterioler uppströms för att leverera blod, och kalciumsignalering, som finjusterar det lokala blodflödet. I åratal ansågs dessa mekanismer fungera oberoende.
Nelsons forskning avslöjar dock att dessa system är djupt sammankopplade genom E-CA-koppling, där elektriska signaler förbättrar kalciuminträde i celler, förstärker lokaliserade signaler och utökar deras inflytande till närliggande celler.
Studien visade att elektrisk hyperpolarisering i kapillärceller sprids snabbt genom aktivering av kapillära endotelial Kir2.1-kanaler, specialiserade proteiner i cellmembranet som upptäcker förändringar i kaliumnivåer och förstärker elektriska signaler genom att överföra dem från cell till cell.
Detta skapar en vågliknande elektrisk signal som färdas lver kapillärnätet. Samtidigt frisätter kalciumsignaler, initierade av IP3-receptorer - proteiner som finns i membranen på intracellulära lagringsplatser - lagrat kalcium som svar på specifika kemiska signaler.
Denna lokala frisättning av kalcium finjusterar blodflödet genom att utlösa vaskulära svar. E-CA-koppling överbryggar dessa två processer, med de elektriska vågorna som genereras av Kir2.1-kanaler som förbättrar kalciumkvaliteten, vilket skapar ett synkroniserat system som justerar blodflödet både lokalt och över större avstånd.
Med hjälp av avancerad bildbehandlingen och datormodeller kunde forskarna observera denna mekanism i aktion. De fann att elektriska signaler i kapillärceller ökade kalciumaktiviteten med 76%, vilket avsevärt ökade dess förmåga att påverka blodflödet.
När teamet efterliknande hjärnaktivitet genom att stimulera dessa celler ökade kalciumsignalerna med 35%, vilket visar hur dessa signaler färdas genom kapillärnätverket.
Intressant nog upptäckte de att signalerna spred sig jämnt över kapillärbädden, vilket säkerställer att blodflödet är balanserat över alla områden, utan att gynna den ena eller andra riktningen.
"Nyligen visade UVM-teamet också att brister i cerebralt blodflöde i småkärlsjukdomar i hjärnan och Alzheimers kan korrigeras av en viktig medfaktor för elektrisk signalering," noterade Nelson.
"Det aktuella arbetet indikerar att kalciumsignaleringen också skulle kunna återställas. Den "heliga gralen", så att säga, är huruvida tidigt återställande av cerebralt blodflöde i hjärnans blodkärlssjukdom bromsar kognitiv nedgång."
Denna upptäckt understryker kapillärernas avgörande roll för att hantera blodflödet i hjärnan.
Genom att identifiera hur elektriska signaler och kalciumsignaler samverkar genom elektro-kalciumkoppling, belyser forskningen hjärnans förmåga att effektivt styra blod till områden med störst behov av syre och näringsämnen.
Detta är särskilt viktigt eftersom störningar i blodflödet är ett kännetecken för många neurologiska tillstånd, såsom stroke, demens och Alzheimers sjukdom.
Att förstå mekaniken i en E-Ca-koppling erbjuder ett nytt ramverk för att utforska behandlingar för dessa tillstånd, vilket potentiellt leder till behandlingar som återställer eller förbättrar blodflödet och skyddar hjärnans hälsa.
Detta genombrott ger också en djupare förståelse för hur hjärnan upprätthåller sin energibalans, vilket är avgörande för att upprätthålla kognitiv och fysisk funktion.
Kommentarer
Skicka en kommentar