«Мы думаем, что нашли недостающее звено в нашем понимании того, как мозг динамически настраивает свой кровоток, чтобы оставаться синхронизированным с активностью нейронов», — говорит Хиллман, у которого есть совместный прием в радиологии. Хиллман потратил более 10 лет, используя передовые инструменты визуализации, чтобы изучить, как контролируется кровоток в головном мозге. «В более ранних исследованиях были выявлены маленькие кусочки головоломки, но мы не верили, что они образуют целостную« большую картину », объединяющую все наблюдения. Наш новый вывод, кажется, действительно соединяет точки».Понимание того, как и почему мозг регулирует кровоток, может дать важные ключи к пониманию раннего развития мозга, болезней и старения.
Мозг увеличивает местный кровоток, когда нейроны срабатывают, и это увеличение обнаруживается с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Хиллман обнаружил, что эндотелий сосудов, внутренний слой кровеносных сосудов, играет решающую роль в распространении и формировании реакции кровотока на локальную активность нейронов.
В то время как эндотелий сосудов, как известно, делает это в других областях тела, до сих пор считалось, что мозг использует другой, более специализированный механизм, и исследователи в этой области были сосредоточены на клетках, окружающих сосуды в головном мозге.«Когда мы осознали важность передачи сигналов эндотелия в регуляции кровотока в головном мозге, — добавляет Хиллман, — мы задались вопросом, может ли игнорирование эндотелия сосудов привести исследователей к неверной интерпретации своих результатов».«Когда мы определили этот путь, так много вещей стало на свои места, — продолжает она, — мы действительно надеемся, что наша работа побудит других поближе взглянуть на сосудистый эндотелий в головном мозге. далеко идущие и действительно захватывающие последствия для нейробиологии, неврологии, сердечно-сосудистой медицины, радиологии и нашего общего понимания того, как работает мозг ».Это исследование проводилось в лаборатории функциональной оптической визуализации Хиллмана под руководством аспиранта и ведущего автора исследования Брендой Чен.
Другие члены лаборатории, которые участвовали в исследовании, включали докторантов и докторантов из Колумбийского университета в области инженерии, нейробиологии и поведения и Медицинского центра Колумбийского университета. Группа объединила свои инженерные навыки с опытом в области нейробиологии, биологии и медицины, чтобы понять этот новый аспект физиологии мозга.Чтобы выявить роль эндотелиальной передачи сигналов в живом мозге, им пришлось разработать новые способы визуализации мозга с очень высокой скоростью, а также выборочного изменения способности эндотелиальных клеток передавать сигналы внутри неповрежденных сосудов. Команда достигла этого с помощью ряда методов, использующих свет и оптику, включая визуализацию с помощью высокоскоростной камеры с синхронизированной стробированной светодиодной подсветкой для фиксации изменений цвета и, следовательно, уровня оксигенации текущей крови.
Сфокусированный лазерный свет использовался в сочетании с флуоресцентным красителем в кровотоке, чтобы вызвать окислительное повреждение внутреннего эндотелиального слоя артериол головного мозга, в то время как остальная часть сосуда оставалась нетронутой и отзывчивой. Команда показала, что после повреждения небольшого участка сосуда с помощью своего лазера сосуд больше не расширялся за пределы поврежденной точки. Когда эндотелий большего числа сосудов был нацелен таким же образом, общая реакция кровотока мозга на стимуляцию значительно снижалась.
«Наше открытие объединяет то, что известно о регуляции кровотока в остальной части тела, с тем, как он регулируется в головном мозге», — объясняет Хиллман. «Это имеет более широкие последствия, поскольку известно множество болезненных состояний, влияющих на регуляцию кровотока в остальной части тела, которые до сих пор не предполагалось, что они напрямую повлияют на здоровье мозга». Например, поражение эндотелия может объяснять нервный дефицит у диабетиков; ключ, который может привести к новым диагностическим тестам и методам лечения неврологических состояний, связанных с более широкими сердечно-сосудистыми проблемами. «Улучшение нашего фундаментального понимания того, как и почему мозг регулирует кровоток, является ключом к пониманию того, как и когда этот механизм может быть изменен или сломан», — говорит она. «Мы думаем, что это может быть распространено на исследования раннего развития мозга, старения и таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и деменция».Результаты исследования команды могут также объяснить влияние некоторых лекарств на мозг и на реакцию фМРТ на стимуляцию, поскольку эндотелий сосудов подвергается воздействию химических веществ в кровотоке. «В целом, эта работа может значительно улучшить нашу способность интерпретировать данные фМРТ, собранные у людей, что, возможно, сделает ее лучшим инструментом для врачей в понимании болезней мозга», — добавляет она.
Далее Хиллман планирует рассмотреть широкий спектр последствий, которые может иметь ее последнее открытие. Она хочет изучить влияние лекарств и болезненных состояний на связь кровотока с нейронной активностью в головном мозге, и в настоящее время начинает исследования по изучению данных фМРТ по целому ряду различных болезненных состояний, чтобы увидеть, сможет ли она найти признаки нейроваскулярной дисфункции. . Она также работает над характеристикой коэволюции нейрональной и гемодинамической активности во время развития мозга и начинает разрабатывать новые инструменты визуализации, которые позволят неинвазивным, недорогим мониторингом гемодинамики мозга у младенцев и детей, которые не могут быть визуализированы с помощью сканера МРТ. .«Наше последнее открытие дает нам новый взгляд на заболевание мозга — некоторые состояния, которые, как предполагается, вызваны дефектными нейронами, на самом деле могут быть проблемами с дефектными кровеносными сосудами», — добавляет Хиллман. «Это дает нам новую цель, на которой нужно сосредоточиться, чтобы изучить методы лечения широкого спектра заболеваний, которые до сих пор считались невозможными для лечения.
Сосудистая сеть мозга является важным партнером в нормальном функционировании мозга. Мы надеемся, что это так. медленно приближается к раскрытию некоторых загадок человеческого мозга ».
Это исследование поддерживается Национальными институтами здоровья (через Национальный институт неврологических расстройств и инсульта), а также Национальным научным фондом, Программой гуманитарных исследований и семьей Родригес.
