Matière à réflexion: de nouvelles cartes révèlent comment les cerveaux sont nourris

Nos cerveaux sont des consommateurs incessants. Un labyrinthe de vaisseaux sanguins, empilés de bout en bout d’une longueur comparable à la distance de San Diego à Berkeley, assure un flux continu d’oxygène et de sucre pour que notre cerveau fonctionne à des niveaux de pointe.

Mais comment ce système complexe garantit-il que les parties les plus actives du cerveau reçoivent suffisamment de nourriture par rapport aux zones moins exigeantes? C’est un problème centenaire en neurosciences auquel des scientifiques de l’Université de Californie à San Diego ont aidé à répondre dans une étude récemment publiée.

En étudiant le cerveau des souris, une équipe de chercheurs dirigée par Xiang Ji, David Kleinfeld et leurs collègues a déchiffré la question de la consommation d’énergie cérébrale et de la densité des vaisseaux sanguins grâce à de nouvelles cartes qui détaillent le câblage cérébral à une résolution plus fine qu’un millionième de mètre. , soit un centième de l’épaisseur d’un cheveu humain.

Fruit d’un travail à la croisée de la biologie et de la physique, les nouvelles cartes apportent de nouvelles perspectives sur ces «microvaisseaux» et leurs diverses fonctions dans les chaînes d’approvisionnement en sang. Les techniques et technologies sous-jacentes aux résultats sont décrites le 2 mars dans la revue Neuron.

«Nous avons développé un pipeline expérimental et informatique pour étiqueter, imager et reconstruire le système microvasculaire dans des cerveaux de souris entiers avec une exhaustivité et une précision sans précédent», a déclaré Kleinfeld, professeur au Département de physique de l’UC San Diego (Division des sciences physiques) et à la Section de Neurobiologie (Division des sciences biologiques). Kleinfeld dit que l’effort s’apparentait à la nature de l’ingénierie inverse. « Cela a permis à Xiang d’effectuer des calculs sophistiqués qui non seulement reliaient l’utilisation de l’énergie cérébrale à la densité des vaisseaux, mais prédisait également un point de basculement entre la perte des capillaires cérébraux et une baisse soudaine de la santé du cerveau. »

Les questions entourant la façon dont les vaisseaux sanguins transportent la nourriture vers les régions actives et moins actives ont été posées comme un problème général de physiologie dès 1920. Dans les années 1980, une technologie connue sous le nom d’autoradiographie, le prédécesseur de la tomographie par émission de positons (TEP) moderne, a permis aux scientifiques de mesurer la distribution du métabolisme du sucre dans le cerveau de la souris.

Pour appréhender et résoudre pleinement le problème, Ji, Kleinfeld et leurs collègues du campus de recherche Janelia de l’Institut médical Howard Hughes et de la faculté d’ingénierie UC San Diego Jacobs ont rempli 99,9% des vaisseaux du cerveau de la souris – soit près de 6,5 millions – – avec un gel marqué par un colorant. Ils ont ensuite imaginé toute l’étendue du cerveau avec une précision inférieure au micromètre. Cela a abouti à quinze billions de voxels, ou éléments volumétriques individuels, par cerveau, qui ont été transformés en un réseau vasculaire numérique pouvant être analysé avec les outils de la science des données.

Avec leurs nouvelles cartes en main, les chercheurs ont déterminé que la concentration d’oxygène est à peu près la même dans toutes les régions du cerveau. Mais ils ont constaté que les petits vaisseaux sanguins sont les composants clés qui compensent les besoins énergétiques variables. Par exemple, les faisceaux de matière blanche, qui transfèrent les impulsions nerveuses à travers les deux hémisphères cérébraux et à la moelle épinière, sont des régions de faibles besoins énergétiques. Les chercheurs y ont identifié des niveaux inférieurs de vaisseaux sanguins. En revanche, les régions du cerveau qui coordonnent la perception du son utilisent trois fois plus d’énergie et, ont-ils découvert, ont été trouvées avec un niveau beaucoup plus élevé de densité des vaisseaux sanguins.

«À l’ère de la complexité croissante des systèmes biologiques, il est fascinant d’observer l’émergence de règles de conception simples et quantitatives partagées sous-tendant les réseaux apparemment compliqués à travers le cerveau des mammifères», a déclaré Ji, un étudiant diplômé en physique.

Ensuite, les chercheurs espèrent approfondir les aspects les plus fins de leurs nouvelles cartes pour déterminer les schémas détaillés du flux sanguin entrant et sortant de l’ensemble du cerveau. Ils poursuivront également la relation largement inexplorée entre le cerveau et le système immunitaire.

Les auteurs sur le papier incluent Xiang Ji, Tiago Ferreira, Beth Friedman, Rui Liu, Hannah Liechtenstein, Erhan Bas, Jayaram Chandrashekar et David Kleinfeld.