Ученые из Колумбии обнаружили, что всплески активности нейронов у молодых мышей не вызывают соответствующего увеличения кровотока – открытие, которое резко контрастирует с мозгом взрослых мышей. Это новое исследование поднимает вопросы о том, как растущий человеческий мозг удовлетворяет свои потребности в энергии, а также о том, как лучше всего отслеживать развитие мозга с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии или фМРТ, которая основана на изменениях кровотока для отображения активности нейронов в мозге. Исследование также может дать важные новые идеи для улучшения ухода за младенцами.
Результаты были опубликованы сегодня в Journal of Neuroscience.
"Во взрослом мозге нейронная активность вызывает локальное усиление кровотока. Долгое время считалось, что эта взаимосвязь между нейрональной активностью и кровотоком присутствует с рождения, но наши данные на мышах предполагают обратное: вместо этого она развивается с течением времени," сказала Элизабет Хиллман, доктор философии, главный исследователь в Columbia’s Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute, доцент кафедры биомедицинской инженерии и радиологии Колумбийской школы инженерии и прикладных наук Fu Foundation и старший автор статьи. Наше исследование также предполагает, что этот процесс является неотъемлемой частью построения здорового мозга и может представлять собой неизученный фактор нарушений мозга, которые возникают в раннем детстве."
Сегодняшнее исследование было мотивировано предыдущими исследованиями фМРТ на людях, которые показали, что ответы в мозгу младенцев сильно отличаются от мозгов взрослых.
"Никто не знал, как интерпретировать реакцию кровотока в развивающемся мозге," сказала Мэриэл Козберг, доктор медицины, недавний выпускник Колумбийского университета нейробиологии в докторе. Лаборатория Хиллмана и первый автор статьи. В этом исследовании нам нужно было выяснить, чем отличается мозг взрослого от мозга новорожденного. Были ли различия в самой нервной активности, или они лежали во взаимосвязи между этой активностью и локальными изменениями кровотока??"
Чтобы ответить на этот вопрос, д-р. Хиллман и Козберг разработали новую технику визуализации, которая одновременно регистрировала нейронную активность и кровоток в головном мозге мышей разного возраста (от новорожденных до взрослых), отслеживая реакцию мозга, когда они стимулировали заднюю лапу каждого животного.
"Когда мы начали собирать данные, мы были поражены увиденным," сказал доктор. Козберг. Во-первых, инновационные методы визуализации показали, что у самых молодых мышей стимуляция задней лапы вызвала сильный нейрональный ответ, но этот ответ был локализован в одной области. Затем, когда животные стали старше, нейронный ответ начал распространяться. К 10-дневному возрасту стимуляция правой лапы сначала вызвала активность в левой части мозга, а затем переместилась в правую, что соответствовало развитию связей между двумя полушариями.
"Мы поняли, что на самом деле наблюдаем, как клетки формируют связи друг с другом по всему мозгу: развитие нейронных сетей," добавил Dr. Хиллман, который также является членом Института исследований мозга Кавли в Колумбии.
Второй вывод исследователей был еще более поразительным. У самых молодых мышей нейронная активность не вызывала увеличения кровотока, как это происходит в мозге взрослых мышей. Но по мере того, как животные становились взрослыми и их нейронные сети становились более устойчивыми, реакция кровотока мозга постепенно усиливалась, пока животное не достигло взрослого возраста.
"Как будто мозг постепенно учился питаться," сказал доктор. Хиллман, который отмечает, что это открытие имеет большой смысл. "Неудивительно, что кровеносные сосуды – и механизмы, связывающие их с мозговой активностью, – созревали одновременно с развитием самой нервной активности."
Однако эти результаты подняли тревожный вопрос. Работа кровеносных сосудов – доставлять богатую кислородом кровь в мозг. Итак, может ли мозг новорожденного действительно функционировать и расти без последующего увеличения кровотока?? Чтобы узнать, доктора. Козберг и Хиллман использовали другой метод оптической визуализации, называемый визуализацией флавопротеинов, который измеряет, как мозг новорожденного использует кислород.
"У самых молодых животных мы подтвердили, что нейроны действительно потребляли кислород, но без прилива свежей крови казалось, что у них закончилось топливо," сказал доктор. Козберг. "Мы также обнаружили, что нервная активность на самом деле вызывала локальные падения уровня кислорода, известные как гипоксия."
Доктора. Хиллман и Козберг предлагают несколько объяснений этого удивительного результата. "Новорожденные совершают невероятный переход от пребывания в утробе матери к дыханию воздухом в родильном зале," отметил д-р. Hillman. "Чтобы выжить в эти первые несколько часов, мозг новорожденного должен быть хорошо подготовлен к тому, чтобы выдерживать огромные колебания доступности кислорода."
Поскольку гипоксия, наблюдаемая у молодых мышей, по-видимому, является частью нормального процесса развития, авторы предполагают, что на самом деле это может служить важной цели.
"Мы знаем, что недостаток кислорода может спровоцировать рост кровеносных сосудов," сказал доктор. Козберг. "Таким образом, в этом случае нейронная активность в мозгу новорожденного может на самом деле руководить ростом кровеносных сосудов в нужных местах."
Двигаясь вперед, команда готовится сравнить свои результаты на мышах с человеческим мозгом. Доктор. Хиллман работает с исследователями из Департамента психиатрии Колумбии над анализом сотен снимков фМРТ, ранее полученных у новорожденных, а также у детей разного возраста.
"Если мы сможем найти те же признаки нейрососудистого развития у младенцев, мы могли бы превратить фМРТ в еще более мощный инструмент. Например, с его помощью можно лучше понять, обнаружить и отследить причины нарушений развития в мозгу новорожденного," она сказала.
Доктор. Команда Хиллмана также стремится продолжить изучение кислородного обмена у новорожденных. Недоношенные дети, подвергшиеся воздействию высоких уровней кислорода, могут страдать от ретинопатии – состояния, при котором кровеносные сосуды в глазах растут неправильно. Она предполагает, что избыток кислорода может привести к таким же нарушениям роста кровеносных сосудов в самом головном мозге.
Добавлен доктор. Hillman, "Если мы сможем узнать больше об уникальном метаболическом состоянии развивающегося мозга, мы сможем улучшить стратегии лечения недоношенных детей, а также получить более глубокое понимание нормального и аномального развития мозга в целом."