UVM mokslininkų komanda, vadovaujama mokslų daktaro Marko Nelsono iš Vermonto universiteto Larnerio medicinos koledžo, atskleidė naują mechanizmą, kuris keičia mūsų supratimą apie tai, kaip smegenyse reguliuojama kraujotaka. Tyrimas, paskelbtas m The Proceedings of the National Academy of Sciences pristato elektro-kalcio (E-Ca) jungtį – procesą, kuris integruoja elektros ir kalcio signalus smegenų kapiliaruose, kad būtų užtikrintas tikslus kraujo tekėjimas į aktyvius neuronus.
Žmogaus kūne kraujas į smegenis patenka iš paviršinių arterijų per prasiskverbiančias arterioles arba labai mažas kraujagysles, kurios atsišakoja nuo arterijų, ir šimtus mylių kapiliarų, kurie nepaprastai išplečia perfuzijos teritoriją.
Smegenys – labai medžiagų apykaitai reikalaujantis organas, kuriam trūksta didelių energijos atsargų – palaiko nuolatinę kraujotaką esant kraujospūdžio svyravimams (autoreguliacija), bet priklauso nuo pareikalavimo pristatymo proceso, kurio metu neuronų veikla sukelia vietinį kraujo tėkmės padidėjimą. paskirstyti deguonį ir maistines medžiagas aktyviems regionams.
„Šis nuo naudojimo priklausomas vietinės kraujotakos padidėjimas (funkcinė hiperemija), kurį sąlygoja mechanizmai, bendrai vadinami neurovaskuliniu ryšiu (NVC), yra būtinas normaliai smegenų funkcijai ir yra funkcinio magnetinio rezonanso vaizdavimo fiziologinis pagrindas“, – sakė Nelsonas.
„Be to, smegenų kraujotakos (CBF) trūkumas, įskaitant funkcinę hiperemiją, yra ankstyvas smegenų smulkiųjų kraujagyslių ligų (SVD) ir Alzheimerio ligos požymis daug anksčiau nei akivaizdūs klinikiniai simptomai.”
Kraujo tiekimas į smegenis priklauso nuo tokių mechanizmų kaip elektrinis signalizavimas, kuris per kapiliarų tinklus plinta į prieš srovę esančias arterioles, kad būtų tiekiamas kraujas, ir kalcio signalizacija, kuri tiksliai sureguliuoja vietinę kraujotaką. Daugelį metų buvo manoma, kad šie mechanizmai veikia nepriklausomai.
Tačiau Nelsono tyrimai atskleidžia, kad šios sistemos yra glaudžiai tarpusavyje susijusios per E-Ca jungtį, kur elektriniai signalai padidina kalcio patekimą į ląsteles, sustiprina lokalizuotus signalus ir išplečia jų įtaką kaimyninėms ląstelėms.
Tyrimas parodė, kad elektrinė hiperpoliarizacija kapiliarinėse ląstelėse sparčiai plinta aktyvuojant kapiliarų endotelio Kir2.1 kanalus – specializuotus ląstelės membranos baltymus, kurie nustato kalio kiekio pokyčius ir stiprina elektrinius signalus perduodami juos iš ląstelės į ląstelę. Taip sukuriamas į bangas panašus elektrinis signalas, sklindantis per kapiliarų tinklą.
Tuo pačiu metu kalcio signalai, kuriuos inicijuoja IP3 receptoriai – baltymai, esantys tarpląstelinių saugyklų membranose – reaguodami į specifinius cheminius signalus, išskiria sukauptą kalcį. Šis vietinis kalcio išsiskyrimas tiksliai sureguliuoja kraujotaką, sukeldamas kraujagyslių atsaką.
E-Ca jungtis sujungia šiuos du procesus, o Kir2.1 kanalų generuojamos elektrinės bangos sustiprina kalcio aktyvumą ir sukuria sinchronizuotą sistemą, reguliuojančią kraujotaką tiek lokaliai, tiek didesniais atstumais.
Naudodami pažangius vaizdavimo ir kompiuterinius modelius, mokslininkai galėjo stebėti šio mechanizmo veikimą. Jie nustatė, kad elektriniai signalai kapiliarinėse ląstelėse padidino kalcio aktyvumą 76%, žymiai padidindami jo gebėjimą paveikti kraujotaką.
Kai komanda imitavo smegenų veiklą stimuliuodama šias ląsteles, kalcio signalai padidėjo 35%, parodydami, kaip šie signalai keliauja per kapiliarų tinklą. Įdomu tai, kad jie išsiaiškino, kad signalai tolygiai pasklinda per visą kapiliarų sluoksnį, užtikrinant, kad kraujotaka būtų subalansuota visose srityse, nepateikdama pirmenybės vienai ar kitai kryptimi.
„Neseniai UVM komanda taip pat įrodė, kad smegenų kraujotakos trūkumas sergant smulkiųjų smegenų kraujagyslių ligomis ir Alzheimerio liga gali būti koreguojamas esminiu elektros signalizacijos veiksniu“, – pažymėjo Nelsonas.
„Dabartinis darbas rodo, kad kalcio signalizacija taip pat gali būti atkurta. Taip sakant „Šventasis Gralis” yra tai, ar ankstyvas smegenų kraujotakos atkūrimas sergant smegenų kraujagyslių ligomis lėtina pažinimo nuosmukį.”
Šis atradimas pabrėžia gyvybiškai svarbų kapiliarų vaidmenį valdant kraujotaką smegenyse. Nustačius, kaip elektros ir kalcio signalai veikia kartu per elektro-kalcio jungtį, tyrimas atskleidžia smegenų gebėjimą efektyviai nukreipti kraują į sritis, kuriose yra didžiausias deguonies ir maistinių medžiagų poreikis.
Tai ypač svarbu, nes kraujotakos sutrikimai yra daugelio neurologinių būklių, tokių kaip insultas, demencija ir Alzheimerio liga, požymis. E-Ca sujungimo mechanikos supratimas suteikia naują pagrindą šių būklių gydymo metodams tirti, o tai gali paskatinti gydymą, kuris atkuria arba pagerina kraujotaką ir apsaugo smegenų sveikatą.
Šis proveržis taip pat suteikia gilesnį supratimą apie tai, kaip smegenys palaiko savo energijos balansą, kuris yra labai svarbus palaikant pažinimo ir fizines funkcijas.