Assoni trasmettono a cellule arteriolari nel cervello

 

 

GIOVANNI ROSSI

 

 

NOTE E NOTIZIE - Anno XXI – 20 gennaio 2024.

Testi pubblicati sul sito www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind & Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento è oggetto di studio dei soci componenti lo staff dei recensori della Commissione Scientifica della Società.

 

 

[Tipologia del testo: RECENSIONE]

 

L’accoppiamento neurovascolare cerebrale è un importante meccanismo omeostatico che consente la regolazione del flusso ematico in rapporto all’attività dell’encefalo, accrescendo la quantità di O2 disponibile al crescere delle esigenze dei neuroni. Nella fisiologia del cervello, lo studio dell’accoppiamento neurovascolare (NVC, da neurovascular coupling) costituisce un campo classico della ricerca che indaga ambiti estesi dal rapporto tra processi cerebrali e fisiologia vascolare alle possibilità di prevenire l’ictus ischemico.

 Numerosi studi hanno dimostrato l’importanza della specificità del tipo cellulare perché si attui il processo di NVC, ma fino a oggi il modo in cui l’informazione sull’attività neuronica giunga alle arteriole, facendone variare coerentemente e proporzionalmente il calibro, non è stato chiarito. Era noto che l’esatta definizione avrebbe richiesto la visualizzazione delle strutture cellulari di rapporto tra compartimento nervoso e compartimento vascolare e, pertanto, Dongdong Zhang e numerosissimi colleghi coordinati da Jie-Min Jia hanno sviluppato un progetto di ricerca finalizzato alla scoperta della struttura cellulare necessaria al processo di trasmissione dell’informazione ai vasi circa lo stato di attività del cervello. I ricercatori, usando l’optogenetica focale bifotonica nella corteccia cerebrale del topo, hanno individuato la struttura e il dispositivo che consente la trasmissione dell’informazione.

(Dongdong Z. et al., Synaptic-like transmission between neural axon and arteriolar smooth muscle cells drives cerebral neurovascular coupling. Nature Neuroscience – Epub ahead of print doi: 10.1038/s41593-023-01515-0, 2024).

La provenienza degli autori è la seguente: School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai (Cina); Key Laboratory of Growth Regulation and Translation Research, School of Life Sciences, Westlake University, Hangzhou (Cina); Laboratory of Neurovascular Biology, Institute of Basic Medical Sciences, Westlake Institute for Advanced Study, Hangzhou (Cina); Westlake Laboratory of Life Sciences and Biomedicine, Hangzhou (Cina); College of Artificial Intelligence and Big Data for Medical Sciences, Shandong First Medical University, Jinan (Cina); Shanghai Medical College, Fudan University, Shanghai (Cina); Program in Speech and Hearing Bioscience and Technology, Harvard Medical School, Boston, MA (USA); Department of Neurosurgery, Shanghai Medical College, Fudan University, Shanghai (Cina); Brain Functional Laboratory, Neurosurgical Institute, Fudan University, Shanghai (Cina); Institute of Brain-Intelligence Technology, Zhangjiang Lab, Shanghai (Cina); Shanghai Key Laboratory of Brain Function and Restoration and Neural Regeneration, Shanghai (Cina); Chinese Institute for Brain Research, Beijing, Beijing (Cina).

Lo studio qui presentato conferma un’ipotesi avanzata per la prima volta oltre mezzo secolo fa[1] e presa seriamente in considerazione da molti ricercatori già 25 anni fa[2]; ma, prima di esporre in sintesi quanto è stato scoperto e definito da Dongdong Zhang e colleghi, si propone per il lettore non specialista una breve introduzione sull’irrorazione vascolare cerebrale.

La vascolarizzazione arteriosa dell’encefalo, per la cui descrizione si rimanda ai trattati di anatomia, è fornita da due sistemi arteriosi che si anastomizzano nel poligono o circolo arterioso del Willis, quello della carotide, che attraverso le carotidi interne sanguifera la massima parte dei due emisferi e forma la parte anteriore del poligono, e quello della succlavia, che fornisce le arterie vertebrali dei due lati che si uniscono a formare il tronco basilare, che pulsa sul clivo dell’occipitale, e dal quale si dipartono i rami che compongono la parte posteriore del poligono. L’irrorazione ematica del cervello si divide in territori arteriosi, nell’ambito dei quali assumono particolare importanza le branche a dispositivo terminale, la cui occlusione causa infarto[3].

Il cervello, che costituisce all’incirca il 2% del peso corporeo, riceve circa il 15% del flusso cardiaco in uscita dal ventricolo sinistro e consuma approssimativamente il 20% dell’O2 consumato dall’intero organismo. Questi valori rappresentano l’alta frequenza metabolica e la grande richiesta di ossigeno che caratterizzano la fisiologia dell’organo più complesso che esista in natura. Il flusso ematico totale al cervello presenta valori fisiologici che vanno dai 750 ml a 1 litro al minuto e, approssimativamente, 350 ml di questo flusso passa attraverso le due carotidi, mentre una frazione di 100-200 ml attraversa il sistema vertebrobasilare. Il flusso per unità di massa della materia grigia è quattro volte maggiore di quello della sostanza bianca.

Si conoscono due tipi principali di autoregolazione: 1) si ha vasocostrizione delle arteriole quando la pressione arteriosa sistemica si alza e vasodilatazione quando si abbassa, con un flusso costante tra i 60 e i 150 mm Hg (sotto o sopra questi limiti si hanno cadute o crescite lineari); 2) l’aumento di CO2 porta vasodilatazione e aumento del flusso, la riduzione di CO2 (ipocarbia) porta vasocostrizione e riduzione del flusso.

Questo secondo meccanismo di regolazione, che dipende da pH e gas ematici, merita un breve approfondimento. L’inalazione del 5% di CO2 aumenta il flusso ematico del 50%; il 7% di CO2 lo raddoppia. Respirare O2 puro riduce il flusso ematico di circa il 13%; l’O2 al 10% lo accresce del 35%. Il meccanismo di queste risposte non è ancora stato chiarito, pertanto non se ne comprende bene la ratio. L’effetto vasodilatatore del CO2 arteriolare è probabilmente mediato da alterazioni del pH extracellulare; si ritiene che possano avere un ruolo le concentrazioni locali di adenosina e K+, entrambe in grado di causare vasodilatazione. Quali che siano i meccanismi, le risposte fisiologiche sono in grado di proteggere il cervello accrescendo l’apporto di ossigeno e la rimozione di metaboliti acidi in condizioni di ipossia, ischemia o danno tissutale.

Le risposte fisiologiche consentono aggiustamenti quasi istantanei del flusso ematico cerebrale regionale, per far fronte alle richieste delle rapide variazioni metaboliche di glucosio e ossigeno che accompagnano i processi neurali dell’encefalo. Ad esempio, la visione di una scena complessa accresce immediatamente il consumo di glucosio e ossigeno nella corteccia visiva del lobo occipitale, con il conseguente aumento della concentrazione di CO2 e abbassamento del pH locale, che causano il rapido incremento del flusso ematico corticale occipitale.

Queste nozioni introduttive rendono evidente il valore della scoperta di strutture e meccanismi di questi adattamenti omeostatici per comprendere la ratio di ciascuno, e progredire nella conoscenza di processi fisiologici e fisiopatologici rilevanti a fini terapeutici e preventivi.

Dongdong Zhang, Jie-Min Jia e un nutrito team di ricercatori, indagando mediante optogenetica focale bifotonica nella corteccia cerebrale murina la morfologia della struttura chiave nell’accoppiamento neurovascolare, hanno rilevato singoli assoni di neuroni glutammatergici innervanti le arteriole con un dispositivo simil-sinaptico che trasmette grazie a una giunzione neuro-arteriolare formata dalle fibrocellule muscolari lisce del vaso col terminale assonico (NsMJs).

Il bottone presinaptico (parental-daughter bouton) realizza una doppia innervazione: 1) innervazione dei dendriti post-sinaptici; 2) innervazione delle cellule muscolari lisce delle arteriole.

Le cellule muscolari lisce della parete vascolare esprimono vari tipi di recettori per neuromediatori, alla cui dettagliata analisi si provvederà in ulteriori studi, ma i ricercatori fra questi hanno rilevato, in particolare, bassi livelli della subunità 1 (Grin1) dell’importante recettore del glutammato NMDA (N-metil-D-aspartato).

Molto significativi i risultati degli esperimenti condotti causando iperemia corticale: la compromissione della trasmissione NsMJ, mediante un knockout specifico per le cellule muscolari lisce arteriolari di GluN1, diminuiva l’iperemia corticale indotta optogeneticamente oppure causata dalla stimolazione delle vibrisse. Fatto rilevante è che l’assenza della subunità GluN1 nelle cellule muscolari lisce arteriolari riduceva l’atrofia dell’encefalo seguente all’ischemia cerebrale, prevenendo il sovraccarico di Ca2+ nelle cellule muscolari lisce durante la costrizione arteriolare causata dalla depolarizzazione diffusa indotta dall’ischemia.

Lo studio di Zhang e colleghi ha rivelato che il processo fondamentale nell’accoppiamento neurovascolare cerebrale è costituito da una trasmissione glutammatergica simil-sinaptica tra terminali assonici e cellule muscolari lisce dei piccoli vasi arteriosi encefalici. E questa acquisizione apre una nuova via per lo studio della fisiopatologia e della prevenzione dell’ictus cerebrale.

 

L’autore della nota ringrazia la dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla lettura delle recensioni di argomento connesso che appaiono nella sezione “NOTE E NOTIZIE” del sito (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA”).

 

Giovanni Rossi

BM&L-20 gennaio 2024

www.brainmindlife.org

 

 

 

________________________________________________________________________________

 

La Società Nazionale di Neuroscienze BM&L-Italia, affiliata alla International Society of Neuroscience, è registrata presso l’Agenzia delle Entrate di Firenze, Ufficio Firenze 1, in data 16 gennaio 2003 con codice fiscale 94098840484, come organizzazione scientifica e culturale non-profit.

 

 

 


[1] Furono Iwayama, Furness e Burnstock che, in uno studio ultrastrutturale sull’innervazione adrenergica e colinergica delle arterie cerebrali del ratto, rilevarono elementi che li indussero a supporre un controllo diretto dei vasi più piccoli da parte di neuroni cerebrali (Circ. Res. 26, 635-646, 1970).

[2] Sandor P., Nervous control of the cerebrovascular system: doubts and facts. Neurochem. Int. 35, 237-259, 1999.

[3] Lo studio dettagliato dei territori delle arterie cerebrali è parte fondamentale della neurologia classica e della neuropsicologia basata sul metodo anatomo-clinico.