Az agy valós időben irányítja a saját vérellátását
Az agyunk folyamatosan bonyolult és energiaigényes feladatokat lát el, mint például az emlékezés, a problémamegoldás és a döntéshozatal. Az ehhez szükséges energia biztosítása és a drága üzemanyag takarékos felhasználása érdekében az agy egy olyan rendszert fejlesztett ki, amely lehetővé teszi, hogy a vér gyorsan és hatékonyan csak azokhoz a területekhez jusson, ahol éppen a legnagyobb szükség van rá. Ez a rendszer elengedhetetlen az agy működéséhez és az általános egészséghez, de működése eddig rejtély maradt. Most a HMS (Harvard Medical School) kutatói által vezetett csapat új részleteket tárt fel arról, hogyan irányítja az agy a véráramlást az aktív területekhez valós időben. Eredményeiket július 16-án publikálták a Cell című folyóiratban.
Egerekkel végzett kísérletek során a kutatócsoport felfedezte, hogy az agy speciális csatornákat használ az erek belsejében, hogy jelezzék, hol van szükség vérre. Ha az eredményeket további állatkísérletek és humán vizsgálatok is megerősítik, azok felhasználhatók lehetnek az agyi képalkotó vizsgálatok, például a funkcionális MRI (fMRI) eredményeinek jobb megértéséhez. Az ismeretek esetlegesen elősegíthetik a neurodegeneratív betegségek jobb megértését is, amelyeknél ez a kommunikációs rendszer gyakran meghibásodik, ami kognitív problémákhoz vezet. „Ez a munka segít megérteni, hogyan lehet a rendkívül fontos vérellátást a megfelelő agyi területekre juttatni a megfelelő időben.” Luke Kaplan, társszerző, neurobiológiai kutató a Blavatnik Intézetben, HMS.
Hosszú ideje megoldatlan mechanikai rejtély
Az 1800-as évek végén az olasz orvos Angelo Mosso érdekes jelenséget figyelt meg egy koponyadefektussal rendelkező betegnél, amelynek következtében az agy egy része fedetlen maradt: amikor a beteg dühös lett, a fedetlen terület részei azonnal megteltek vérrel, ami az agyi aktivitás és a véráramlás közötti kapcsolatra utalt. Egy évszázaddal később ez az összefüggés lett az alapja az fMRI-nek, egy agyi vizsgálati módszernek, amely az egyes agyi régiók vérellátását méri, és ez alapján becsüli az agyi aktivitást, miközben az alanyok különböző feladatokat végeznek.
Az agy a test egyik legnagyobb energiaigényű szerve: a test súlyának 2 százalékát teszi ki, de a teljes energiafelhasználás 20 százalékát fogyasztja. A költségkeret betartása érdekében az agynak rendkívül hatékonynak kell lennie: gyorsan irányítja a véráramlást azokba a régiókba, ahol arra a legnagyobb szükség van – magyarázta Chenghua Gu, a HMS neurobiológia professzora, a tanulmány vezető szerzője. Bár az agy energiafogyasztásának aránya a fajok között az szervek összetettségétől függően változik, az agy minden emlősnél energiaigényes szerv – mondta Gu. „Van egy elegáns evolúciós mechanizmus, amely igény szerint osztja el a véráramlást az agyban, de nem értjük, hogyan működik” – mondta Trevor Krolak, a Gu laboratórium doktori hallgatója és a tanulmány társszerzője. Ez a vérelosztási folyamat neurodegeneratív folyamatok során romlik, jegyezte meg Kaplan, és működésének megértése új ismeretekhez vezethet. „Ha nem tudjuk, hogyan működik ez a rendszer biológiai szinten, akkor nem tudjuk, hogyan javítsuk meg, ha meghibásodik” – mondta.
A sejtek közötti jelátvitel feltárása
Annak érdekében, hogy megértsék, mi történik molekuláris szinten, amikor az agy különböző területei aktívvá válnak, a kutatók egy sor kísérletet végeztek egereken. Elemzésük kimutatta, hogy az agy az agyi erek belsejét borító endothelsejtek segítségével gyorsan jelzi, ha egy adott területen több vérre van szükség. A kutatók megfigyelték továbbá, hogy az endothelsejtek az úgynevezett gap junctionokon – a szomszédos sejteket fizikailag összekötő apró csatornákon – keresztül rendkívül gyorsan és hatékonyan kommunikálnak egymással. A csapat két gént is azonosított, amelyek kulcsfontosságúak ennek a kommunikációs útvonalnak a működésében. „Az agy lényegében az erek belső falát használja széles körű és koordinált jelátviteli autópályaként” – mondta Krolak. Így az agy tud jelezni, mely ereknek kell együttesen tágulniuk vagy összehúzódniuk, hogy a vér a megfelelő időben a megfelelő helyre jusson.
„Ezek az eredmények segítenek megérteni, hogy az agy hogyan juttatja el a véráramot pontosan oda, ahol szükség van rá, így hatékonyan tudja felhasználni korlátozott energiaellátását” – mondta Gu. Más típusú sejtek is kapcsolódnak egymáshoz gap junctionokkal, és a gap junction gének mutációi szerepet játszanak szívbetegségekben, süketségben és más betegségekben. A kutatók szerint az új eredmények így további kutatások előtt nyitják meg az utat annak vizsgálatára, hogy a sejtek hogyan használják ezeket a kapcsolatokat a kommunikációra a szervezetben. Gu szerint, mivel az agyi érrendszer az emlősökben nagyon konzervatív, valószínűleg ugyanaz a rendszer működik az emberben is. Ha a kutatás eredményei valóban átvihetők az emberre, ez javíthatja az fMRI értelmezését, amely a véráramlás és az idegi aktivitás közötti összefüggésen alapul.
Egyre több bizonyíték utal arra, hogy a vérellátás szabályozása fontos az agy egészsége szempontjából, és bizonyos neurodegeneratív betegségekben ez a szabályozás megzavarodik – mondták a kutatók. A csapat reméli, hogy kutatásaik fényt deríthetnek az agyban a neurodegeneratív folyamatok során bekövetkező változásokra. „Most, hogy rájöttünk a mechanizmusra, szeretnénk tudásunkat a betegségek megértésére és terápiák kidolgozására fordítani” – mondta Gu.