Neurociencia

¿Cómo se alimenta el cerebro? Crean mapas cerebrales de su nutrición

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Los científicos han creado nuevos mapas cerebrales con detalles sin precedentes. La información proporcionada por los nuevos mapas está ayudando a responder preguntas sobre el suministro de sangre y cómo se mantienen nutridas las partes más activas del cerebro en comparación con las áreas menos exigentes.

Nuestros cerebros son consumidores constantes. Un laberinto de vasos sanguíneos, apilados de un extremo a otro con más de 800 km de longitud, asegura un flujo continuo de oxígeno y azúcar para mantener nuestro cerebro funcionando a niveles máximos.

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Pero, ¿cómo se asegura este intrincado sistema de que las partes más activas del cerebro reciban suficiente nutrición en comparación con las áreas menos exigentes? Ese es un problema centenario en neurociencia que los científicos de la Universidad de California en San Diego han ayudado a resolver en un estudio recientemente publicado.

Al estudiar los cerebros de ratones, un equipo de investigadores dirigido por Xiang Ji, David Kleinfeld y sus colegas ha descifrado la cuestión del consumo de energía cerebral y la densidad de los vasos sanguíneos a través de mapas recientemente desarrollados que detallan el cableado cerebral con una resolución más fina que una millonésima de metro , o una centésima parte del grosor de un cabello humano.

Como resultado del trabajo en la encrucijada de la biología y la física, los nuevos mapas proporcionan nuevos conocimientos sobre estos «microvasos» y sus diversas funciones en las cadenas de suministro de sangre. Las técnicas y tecnologías subyacentes a los resultados se describieron el 2 de marzo en la revista Neuron.

«Desarrollamos una tubería experimental y computacional para etiquetar, visualizar y reconstruir el sistema microvascular en cerebros completos de ratones con una precisión y una integridad sin precedentes«, decía Kleinfeld, profesor del Departamento de Física de la UC San Diego (División de Ciencias Físicas) y Sección de Neurobiología (División de Ciencias Biológicas). Kleinfeld dice que el esfuerzo fue similar a la naturaleza de la ingeniería inversa. «Esto le permitió a Xiang realizar cálculos sofisticados que no solo relacionaban el uso de energía cerebral con la densidad de los vasos, sino que también predijeron un punto de inflexión entre la pérdida de capilares cerebrales y una caída repentina de la salud cerebral«.

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El enigma del cómo se transporta la energía al cerebro

Las preguntas sobre cómo los vasos sanguíneos transportan el alimento a las regiones activas y menos activas se plantearon como un problema general en fisiología ya en 1920. En la década de 1980, una tecnología conocida como autorradiografía, la predecesora de la tomografía por emisión de positrones (PET) moderna, permitió a los científicos medir la distribución del metabolismo del azúcar en el cerebro del ratón.

Para comprender y resolver completamente el problema, Ji, Kleinfeld y sus colegas del Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes y la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego llenaron el 99,9 por ciento de los vasos en el cerebro del ratón, un recuento de casi 6,5 millones. – con un gel marcado con tinte. Luego obtuvieron imágenes de la extensión completa del cerebro con precisión submicrométrica. Esto resultó en quince billones de vóxeles, o elementos volumétricos individuales, por cerebro, que se transformaron en una red vascular digital que podría analizarse con las herramientas de datos.

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Con sus nuevos mapas en la mano, los investigadores determinaron que la concentración de oxígeno es aproximadamente la misma en todas las regiones del cerebro. Pero descubrieron que los vasos sanguíneos pequeños son los componentes clave que compensan los diferentes requisitos de energía. Por ejemplo, los tractos de materia blanca, que transfieren impulsos nerviosos a través de los dos hemisferios cerebrales y a la médula espinal, son regiones de baja necesidad energética. Los investigadores identificaron niveles más bajos de vasos sanguíneos allí. Por el contrario, las regiones del cerebro que coordinan la percepción del sonido utilizan tres veces más energía y, descubrieron, se encontraron con un nivel mucho mayor de densidad de vasos sanguíneos.

«En la era de las crecientes complejidades que se desentrañan en los sistemas biológicos, es fascinante observar el surgimiento de reglas de diseño simples y cuantitativas compartidas que subyacen a las redes aparentemente complicadas en los cerebros de los mamíferos«, dijo Ji, estudiante de posgrado en física.

A continuación, los investigadores esperan profundizar en los aspectos más finos de sus nuevos mapas para determinar los patrones detallados del flujo sanguíneo que entra y sale de todo el cerebro. También buscarán la relación en gran parte inexplorada entre el cerebro y el sistema inmunológico.

Los autores del artículo incluyen a Xiang Ji, Tiago Ferreira, Beth Friedman, Rui Liu, Hannah Liechty, Erhan Bas, Jayaram Chandrashekar y David Kleinfeld.

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Fuente y referencias

Fuente original: UC San Diego, escrito por Mario Aguilera.

Referencia del estudio:

Xiang Ji, Tiago Ferreira, Beth Friedman, Rui Liu, Hannah Liechty, Erhan Bas, Jayaram Chandrashekar, David Kleinfeld. Brain microvasculature has a common topology with local differences in geometry that match metabolic loadNeuron, 2021; DOI: 10.1016/j.neuron.2021.02.006

Redacción

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