Marka un Mērijas Stīvensu Neiroattēlveidošanas un informātikas institūta (Stevens INI) pētnieki pie Kekas Medicīnas skolas Dienvidkalifornijas Universitātē izstrādājuši jaunu veidu, kā dzīva cilvēka smadzenēs pētīt asinsrites un šūnu organizācijas saistību. Pētījums publicēts žurnālā Nature Communications.

Jaunā metode, ko dēvē par smadzeņu asinsrites un šūnu ķermeņu krāsojuma intensitātes līdzības indeksu jeb CCSI, raksturo, cik līdzīgi dažādos smadzeņu garozas dziļumos mainās asins plūsma un šūnu blīvums. Smadzeņu garoza ir krokota ārējā kārta, kurā dažādos slāņos atrodas atšķirīgs šūnu skaits un veidi.

Smadzeņu šūnām nepārtraukti nepieciešams skābeklis un barības vielas, taču smadzenēm ir ļoti ierobežota spēja uzkrāt enerģiju. Tāpēc to darbība ir atkarīga no pastāvīgas un precīzi regulētas asins piegādes. CCSI ļauj pētīt ne tikai to, cik daudz asiņu nonāk konkrētā reģionā, bet arī to, vai asins plūsma tiek sadalīta atbilstoši šūnu izvietojumam.

Asinsrites kartēšana dažādos garozas slāņos

Pētījumā izmantota arteriālā spinālā marķēšana jeb ASL — neinvazīva MRI tehnika, kas magnētiski iezīmē ūdeni asinīs un seko tā nokļūšanai smadzeņu audos. Ar 7 teslu MRI skeneri asins plūsma tika izmērīta visās smadzenēs ar aptuveni viena kubikmilimetra izšķirtspēju.

Pētījumā piedalījās 30 veseli pieaugušie, bet 14 no viņiem veica arī atkārtotu skenēšanu, lai pārbaudītu mērījumu stabilitāti. Pētnieki sadalīja smadzeņu garozu 360 reģionos un analizēja asins plūsmu vairākos dziļumos. Šie dati tika salīdzināti ar BigBrain datubāzes šūnu ķermeņu krāsojuma kartēm — detalizētu cilvēka smadzeņu trīsdimensiju digitālu rekonstrukciju, kas parāda šūnu blīvumu garozā.

Atšķirībā no tradicionālās smadzeņu attēlveidošanas, kas bieži apkopo datus par visu garozas biezumu, jaunā pieeja ļauj redzēt, kā perfūzija mainās no garozas ārējās virsmas līdz dziļākajiem slāņiem. Augstāks CCSI rādītājs nozīmē, ka blīvāk ar šūnām apdzīvotie slāņi parasti saņem arī lielāku asins plūsmu.

Saistība ar mitohondriju darbību

Asinsrites un šūnu organizācijas sakritība tika konstatēta lielākajā daļā analizēto smadzeņu garozas reģionu, taču tās stiprums dažādās vietās atšķīrās. Visizteiktākā saskaņotība bija primārajās redzes un sensorimotorajās zonās, kas nodrošina redzi, kustības un tausti.

Lai noskaidrotu CCSI bioloģisko nozīmi, pētnieki to salīdzināja ar mitohondriju aktivitātes, šūnu tipu un gēnu ekspresijas kartēm. Mitohondriji pārvērš barības vielas un skābekli šūnām izmantojamā enerģijā. Reģionos ar izteiktāku asinsrites un šūnu organizācijas sakritību bija arī lielāka mitohondriju respiratorā kapacitāte — maksimālais ātrums, ar kādu mitohondriji spēj ražot enerģiju.

Šī saistība attiecās tieši uz mitohondriju enerģijas ražošanas kapacitāti, nevis tikai uz mitohondriju skaitu. Savukārt kopējais asins plūsmas apjoms ar šo rādītāju nebija saistīts tādā pašā veidā. Tas liecina, ka CCSI var atklāt vielmaiņas organizāciju, ko standarta asinsrites mērījumi neparāda.

CCSI bija saistīts arī ar kapilāru endotēlija šūnām, kas izklāj sīkākos asinsvadus un palīdz regulēt asins piekļuvi apkārtējiem audiem, kā arī ar nobriedušiem oligodendrocītiem. Šīs šūnas veido nervu šķiedru aizsargājošo mielīna apvalku un palīdz uzturēt to vielmaiņu. Gēnu aktivitātes dati papildus sasaistīja CCSI ar enerģijas vielmaiņu, asinsvadu attīstību, asinsvadu organizāciju un veselīgu mitohondriju darbību.

Rādītājs var palīdzēt izprast sarežģītākus smadzeņu reģionus

Pētnieki pārbaudīja arī, vai CCSI var izskaidrot saistību starp smadzeņu struktūru un funkciju. Sensorajās un motorajās zonās šī saistība parasti ir cieša, taču augstākas kārtas asociācijas reģionos, kas nodrošina atmiņu, spriešanu un uzmanību, tā ir mazāk tieša.

Izmantojot strukturāli funkcionālās sasaistes analīzi, pētnieki prognozēja smadzeņu funkciju pēc garozas strukturālajām īpašībām. CCSI pievienošana būtiski uzlaboja modeļu spēju paredzēt funkciju augstākas kārtas reģionos. Tas liecina, ka vielmaiņas un asinsvadu faktori smadzeņu darbību ietekmē tādā veidā, ko tikai šūnu struktūra nespēj izskaidrot.

Pētījums tomēr nepierāda, ka ciešāka asinsrites un šūnu organizācijas sakritība izraisa efektīvāku enerģijas izmantošanu. Molekulārie un šūnu salīdzinājumi balstījās uz atsauces kartēm, kas izveidotas no ierobežota skaita pēcnāves donoru materiāla, bet CCSI pašlaik raksturo šūnu grupas, nevis atsevišķus cilvēkus.

Nākamajos pētījumos paredzēts iekļaut lielākas un daudzveidīgākas populācijas, kā arī analizēt izmaiņas, kas saistītas ar novecošanu un neiroloģiskām vai psihiskām slimībām. Asinsrites, vielmaiņas un oligodendrocītu darbības traucējumi novērojami Alcheimera slimības, multiplās sklerozes, šizofrēnijas un epilepsijas gadījumā. Pētnieki cer noskaidrot, vai CCSI izmaiņas varētu palīdzēt atklāt slimību agrīnas pazīmes vai novērtēt ārstēšanu, kuras mērķis ir atjaunot smadzeņu vielmaiņu un asinsvadu veselību.