Наш мозг — постоянный потребитель. Лабиринт кровеносных сосудов, уложенных встык, сопоставимых по длине с расстоянием от Сан-Диего до Беркли, обеспечивает непрерывный поток кислорода и сахара, чтобы наш мозг функционировал на пиковом уровне.
Но как эта сложная система гарантирует, что более активные части мозга получают достаточно питания по сравнению с менее требовательными областями? Это вековая проблема нейробиологии, на которую ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего помогли ответить в недавно опубликованном исследовании.
Изучая мозг мышей, группа исследователей во главе с Сян Цзи, Дэвидом Кляйнфельдом и их коллегами решила вопрос о потреблении энергии мозгом и плотности кровеносных сосудов с помощью недавно разработанных карт, детализирующих проводку мозга с разрешением менее одной миллионной метра или одну сотую толщины человеческого волоса.
Новые карты, созданные на стыке биологии и физики, позволяют по-новому взглянуть на эти «микрососуды» и их различные функции в цепочках поставок крови. Методы и технологии, лежащие в основе результатов, описаны 2 марта в журнале Neuron.
«Мы разработали экспериментальный и вычислительный конвейер, чтобы маркировать, отображать и реконструировать микрососудистую систему в цельном мозгу мыши с беспрецедентной полнотой и точностью», — сказал Кляйнфельд, профессор факультета физики Калифорнийского университета в Сан-Диего (Отделение физических наук) и Секции естественных наук. Нейробиология (Отделение биологических наук). Кляйнфельд говорит, что это было похоже на обратную инженерию. «Это позволило Сян провести сложные вычисления, которые не только связали использование энергии мозга с плотностью сосудов, но и предсказали переломный момент между потерей мозговых капилляров и внезапным ухудшением здоровья мозга».
Вопросы, касающиеся того, как кровеносные сосуды переносят питание в активные и менее активные области, были поставлены как общая проблема в физиологии еще в 1920 году. К 1980-м годам технология, известная как авторадиография, предшественница современной позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), позволил ученым измерить распределение метаболизма сахара в мозге мыши.
Чтобы полностью понять и решить проблему, Джи, Кляйнфельд и их коллеги из исследовательского кампуса Janelia при Медицинском институте Говарда Хьюза и инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс заполнили 99,9% сосудов в мозгу мыши — это почти 6,5 миллионов — с гелем, меченным красителем. Затем они визуализировали весь мозг с точностью до микрометра. Это привело к появлению пятнадцати триллионов вокселей или отдельных объемных элементов для каждого мозга, которые были преобразованы в цифровую сосудистую сеть, которую можно было анализировать с помощью инструментов науки о данных.
С новыми картами в руках исследователи определили, что концентрация кислорода примерно одинакова во всех областях мозга. Но они обнаружили, что мелкие кровеносные сосуды являются ключевыми компонентами, которые компенсируют различные потребности в энергии. Например, тракты белого вещества, которые передают нервные импульсы через два полушария головного мозга и спинной мозг, являются областями с низкой потребностью в энергии. Исследователи определили здесь более низкие уровни кровеносных сосудов. Напротив, области мозга, которые координируют восприятие звука, используют в три раза больше энергии и, как они обнаружили, были обнаружены с гораздо более высоким уровнем плотности кровеносных сосудов.
«В эпоху усложнения биологических систем интересно наблюдать за появлением общих простых и количественных правил проектирования, лежащих в основе, казалось бы, сложных сетей в мозге млекопитающих», — сказал Джи, аспирант по физике.
Далее исследователи надеются углубиться в более тонкие аспекты своих новых карт, чтобы определить подробные закономерности кровотока в мозг и из него. Они также будут исследовать неизведанные отношения между мозгом и иммунной системой.
