Alimentos para o pensamento: Novos mapas revelam como os cérebros são nutridos



Mapas cerebrais recém-desenvolvidos com detalhes sem precedentes estão ajudando a responder perguntas críticas sobre o fluxo sanguíneo cerebral. Estes novos mapas oferecem resolução mais fina do que um milionésimo de um metro, reconstruído aqui com áreas de alta densidade microvascular em áreas vermelhas e de densidade intermediária em áreas brancas e de baixa densidade em azul.


Um novo estudo resolve um quebra-cabeça centenário sobre o uso de energia cerebral e aglomerados de vasos sanguíneos.

Nossos cérebros são consumidores ininterruptos. Um labirinto de vasos sanguíneos, empilhados de ponta a ponta comparável em comprimento à distância de San Diego a Berkeley, garante um fluxo contínuo de oxigênio e açúcar para manter nossos cérebros funcionando em níveis máximos.

Mas como esse intrincado sistema garante que partes mais ativas do cérebro recebam alimento suficiente versus áreas menos exigentes? Esse é um problema centenário na neurociência que cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego ajudaram a responder em um estudo recém-publicado.

Estudando o cérebro de camundongos, uma equipe de pesquisadores liderada por Xiang Ji, David Kleinfeld e seus colegas decifrou a questão do consumo de energia cerebral e da densidade dos vasos sanguíneos através de mapas recém-desenvolvidos que detalham a fiação cerebral a uma resolução mais fina do que um milionésimo de um metro, ou um centésimo da espessura de um cabelo humano.


Resultado do trabalho na encruzilhada da biologia e da física, os novos mapas fornecem novas percepções sobre esses "microvexelhos" e suas várias funções nas cadeias de suprimentos sanguíneos. As técnicas e tecnologias subjacentes aos resultados são descritas em 2 de março na revista Neuron.

"Desenvolvemos um pipeline experimental e computacional para rotular, imagem e reconstruir o sistema microvascular em cérebros inteiros de camundongos com completude e precisão sem precedentes", disse Kleinfeld, professor do Departamento de Física da UC San Diego (Divisão de Ciências Físicas) e seção de Neurobiologia (Divisão de Ciências Biológicas). Kleinfeld diz que o esforço foi semelhante à natureza da engenharia reversa.

"Isso permitiu que Xiang realizasse cálculos sofisticados que não apenas relacionavam o uso de energia cerebral à densidade dos vasos, mas também previu um ponto de inflexão entre a perda de capilares cerebrais e uma queda repentina na saúde cerebral."

Questões sobre como os vasos sanguíneos transportam nutrição para regiões ativas e menos ativas foram colocadas como uma questão geral na fisiologia desde 1920. Na década de 1980, uma tecnologia conhecida como autoradiografia, a antecessora da atual tomografia de emissão de pósitrons (PET), permitiu que os cientistas medissem a distribuição do metabolismo do açúcar através do cérebro do camundongo.

Para entender e resolver o problema, Ji, Kleinfeld e seus colegas do Campus de Pesquisa Janelia do Instituto Médico Howard Hughes e da UC San Diego Jacobs School of Engineering preencheram 99,9% dos vasos no cérebro do rato – uma contagem de quase 6,5 milhões – com um gel com tinta. Eles então imaginaram toda a extensão do cérebro com precisão sub-micrômetro.

Isso resultou em quinze trilhões de voxels, ou elementos volumosos individuais, por cérebro, que foram transformados em uma rede vascular digital que poderia ser analisada com as ferramentas da ciência de dados.

Com seus novos mapas em mãos, os pesquisadores determinaram que a concentração de oxigênio é aproximadamente a mesma em todas as regiões do cérebro. Mas eles descobriram que pequenos vasos sanguíneos são os componentes-chave que compensam as necessidades de energia variadas. Por exemplo, os tratos de matéria branca, que transferem impulsos nervosos através dos dois hemisférios cerebrais e para a medula espinhal, são regiões de baixa necessidade de energia.

Os pesquisadores identificaram níveis mais baixos de vasos sanguíneos lá. Em contraste, regiões cerebrais que coordenam a percepção do som usam três vezes mais energia e, descobriram, foram encontradas com um nível muito maior de densidade dos vasos sanguíneos.

"Na era de complexidades crescentes sendo desvendadas em sistemas biológicos, é fascinante observar o surgimento de regras de design simples e quantitativas compartilhadas que sustentam as redes aparentemente complicadas entre cérebros de mamíferos", disse Ji, um estudante de pós-graduação em física.

Em seguida, os pesquisadores esperam aprofundar os aspectos mais finos de seus novos mapas para determinar os padrões detalhados do fluxo sanguíneo para dentro e para fora de todo o cérebro. Eles também buscarão a relação em grande parte inexplolada entre o cérebro e o sistema imunológico.

Os autores do artigo incluem Xiang Ji, Tiago Ferreira, Beth Friedman, Rui Liu, Hannah Liechty, Erhan Bas, Jayaram Chandrashekar e David Kleinfeld.

“Brain microvasculature has a common topology with local differences in geometry that match metabolic load” by Xiang Ji, David Kleinfeld et al. Neuron


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