Investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland y la Universidad de Vermont, en Estados Unidos, han demostrado cómo el cerebro se comunica con los vasos sanguíneoscuando necesitan energía y cómo estos vasos sanguíneos responden relajándose o contrayéndose para dirigir el flujo sanguíneo a regiones específicas del cerebro.
A diferencia del resto del cuerpo, el cerebro no dispone de suficiente espacio para almacenar energía. En su lugar, el cerebro depende de los cientos de kilómetros de vasos sanguíneos que hay en su interior para suministrar energía fresca a través de la sangre. Sin embargo, hasta ahora no se sabía muy bien cómo el cerebro expresa su necesidad de más energía durante el aumento de la actividad y cómo dirige su suministro de sangre a puntos específicos.
En el estudio, publicado en la revista 'Science Advances', los investigadores afirman que entender cómo el cerebro dirige la energía hacia sí mismo con todo detalle puede ayudar a determinar qué es lo que falla en condiciones como la enfermedad de Alzheimer y la demencia, en las que un flujo sanguíneo defectuoso es un indicador de deterioro cognitivo. Si el cerebro no recibe sangre donde la necesita y cuando la necesita, las neuronas se estresan y, con el tiempo, se deterioran, lo que acaba provocando un deterioro cognitivo y problemas de memoria.
Las señales de calcio capilar garantizan un exquisito ajuste para asegurarse de que la sangre llegue exactamente al lugar correcto en el momento adecuado a través de los diminutos capilares
Las grandes arterias alimentan a los vasos de tamaño medio conocidos como arteriolas, que a su vez alimentan a los capilares aún más diminutos, tan pequeños que solo puede pasar una sola célula sanguínea a la vez.
En un artículo publicado en 2017 en 'Nature Neuroscience', los investigadores demostraron que los pulsos eléctricos que circulan por los capilares dirigen el flujo sanguíneo de las arteriolas de tamaño medio que abastecen a grandes regiones del cerebro. Para este último trabajo, el equipo quería estudiar el ajuste de la sangre a medida que fluye a través de los capilares para regular con precisión el suministro de energía a las pequeñas regiones del cerebro.
"Parece que hay dos mecanismos que trabajan en tándem para garantizar que la energía en forma de sangre llegue a regiones específicas del cerebro: uno amplio y otro preciso", dice el doctor Thomas Longden, profesor adjunto de Fisiología de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland.
"El primer mecanismo eléctrico es como un burdo enfoque de mazo para hacer llegar más sangre a la vecindad general del aumento de la actividad cerebral mediante el control de las arteriolas de tamaño medio, y luego las señales de calcio capilar garantizan un exquisito ajuste para asegurarse de que la sangre llegue exactamente al lugar correcto en el momento adecuado a través de los diminutos capilares", explica.
Detectaron 5.000 señales de calcio por segundo en los capilares de la diminuta sección del cerebro visible a través de la ventana,equivale a cerca de 1.000.000 de estas respuestas cada segundo en todo el sistema de vasos sanguíneos del cerebro
El doctor Longden y sus colaboradores utilizaron una proteína que emite luz verde cuando el calcio aumenta en la célula. Gracias a los esfuerzos del equipo de Michael Kotlikoff, de la Universidad de Cornell, pudieron activar esta herramienta en las células que recubren los vasos sanguíneos de los ratones.
A continuación, los investigadores miraron a través de pequeñas ventanas en los cerebros de estos ratones para investigar el papel del calcio en el control del flujo sanguíneo en los capilares del cerebro. Cuando las células que recubren los vasos sanguíneos recibían un flujo de calcio, se iluminaban de color verde.
Detectaron 5.000 señales de calcio por segundo en los capilares de la diminuta sección del cerebro visible a través de la ventana, lo que, según dicen, equivale a cerca de 1.000.000 de estas respuestas cada segundo en todo el sistema de vasos sanguíneos del cerebro.
"Hasta que utilizamos esta nueva tecnología, existía un mundo invisible de señales de calcio en el cerebro que no se veía, y ahora podemos ver una gran actividad en los vasos sanguíneos del cerebro, que se disparan constantemente", dice el doctor Longden.
Descubrieron que cuando las neuronas emiten señales eléctricas, provocan un aumento del calcio en las células que recubren los vasos sanguíneos
El equipo diseccionó entonces el intrincado mecanismo celular que subyace al papel del calcio en la dirección de la sangre rama por rama a través de los diminutos vasos del cerebro y descubrieron que cuando las neuronas emiten señales eléctricas, provocan un aumento del calcio en las células que recubren los vasos sanguíneos.
A continuación, unas enzimas detectan este calcio y dirigen a las células para que produzcan óxido nítrico. El óxido nítrico es una hormona (y un gas) que hace que las células musculares que rodean los vasos sanguíneos se relajen, lo que ensancha los vasos y permite que fluya más sangre.
Tradicionalmente se pensaba que los capilares eran simples conductos para los glóbulos rojos y la barrera entre la sangre y el cerebro. Como señala el coautor Mark T. Nelson, profesor distinguido de la Universidad de Vermont y catedrático de Farmacología, "aquí revelamos un universo desconocido de señalización de calcio en los capilares, y al igual que los semáforos, estas señales de calcio dirigen nutrientes vitales a las neuronas activas cercanas".
"El primer paso para averiguar qué es lo que falla en las enfermedades es determinar cómo funciona el sistema como debería normalmente", añade el doctor E. Albert Reece, vicepresidente ejecutivo de Asuntos Médicos de la UM de Baltimore, y profesor distinguido y decano de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland Ahora que los investigadores saben cómo funciona este proceso, "pueden empezar a investigar cómo se interrumpe el flujo sanguíneo en la enfermedad de Alzheimer y la demencia para encontrar formas de solucionarlo", concluye.