Nuevos mapas 3D de alta resolución muestran cómo cambian los vasos sanguíneos del cerebro con la edad

Los vasos sanguíneos sanos son importantes para algo más que la salud del corazón. El bienestar vascular es fundamental para la salud cerebral y, potencialmente, para abordar el deterioro cognitivo relacionado con la edad y los trastornos neurodegenerativos, como la enfermedad de Alzheimer, según un nuevo estudio dirigido por investigadores de Penn State. Los hallazgos apuntan a un papel clave poco estudiado, pero posible, que desempeña la red vascular del cerebro (o infraestructura energética) en la aparición de enfermedades neurodegenerativas.

El estudio es publicado En el diario Comunicaciones de la naturaleza.

Utilizando técnicas avanzadas de imagenología, el equipo desarrolló mapas del cerebro de un ratón que ilustran cómo las células vasculares y las estructuras como los vasos sanguíneos cambian con la edad e identificaron áreas que son vulnerables al deterioro. Cuando los vasos sanguíneos se degradan, las células nerviosas del cerebro, llamadas neuronas, se quedan sin energía, lo que provoca que funcionen mal o mueran. Esto puede provocar una afección llamada demencia vascular, la segunda causa principal de deterioro cognitivo en adultos mayores, y síntomas como trastornos del sueño.

«En el caso de una enfermedad como la de Alzheimer, cuando se pueden ver cambios vasculares y una contracción significativa del cerebro en una resonancia magnética, ya se ha producido la muerte celular. Necesitamos entender cómo cambian estas células y estructuras antes de que se produzca una catástrofe importante», afirmó Yongsoo Kim, profesor asociado de ciencias neuronales y del comportamiento en la Facultad de Medicina de la Universidad Estatal de Pensilvania y autor principal del estudio. «Este estudio proporciona signos tempranos de trastornos neurodegenerativos, lo que podría conducir a un diagnóstico más temprano, y pistas sobre cómo podemos ralentizar el proceso de envejecimiento y los cambios cognitivos».

Según Kim, el envejecimiento es uno de los principales factores implicados en los trastornos neurodegenerativos.

«Aún no tenemos una buena base de conocimiento sobre cómo el envejecimiento normal en sí mismo cambia el cerebro, en particular la vasculatura cerebral», dijo Kim. Y, dado que la población envejece cada vez más en los Estados Unidos, dijo que es fundamental comprender estos cambios, especialmente dentro de la red de vasos sanguíneos.

Los vasos sanguíneos, especialmente los microvasos, regulan el suministro de oxígeno y energía y la eliminación de desechos hacia y desde las neuronas. A pesar de su importancia, dijo Kim, la mayoría de las investigaciones existentes se centran en cómo la estructura y la función de las neuronas se degeneran con el tiempo, en lugar de en la vasculatura. Cuando los investigadores estudian la vasculatura del cerebro, han examinado principalmente los vasos sanguíneos más grandes o se han centrado en una única región del cerebro de fácil acceso, la corteza somatosensorial. Más importante aún, las técnicas típicas de neuroimagen, como la resonancia magnética, no proporcionan una resolución lo suficientemente alta como para ver lo que está sucediendo en los diminutos vasos sanguíneos, que constituyen entre el 80% y el 85% de la vasculatura del cerebro, según Kim.

Kim y el equipo de investigación elaboraron un mapa detallado de la red vascular de todo el cerebro del ratón utilizando dos técnicas de mapeo 3D de alta resolución: tomografía de dos fotones en serie (una técnica que crea una serie de imágenes 2D apiladas) y microscopía de fluorescencia de lámina de luz, que toma imágenes de muestras 3D intactas para visualizar todo el cerebro con una resolución de una sola célula. Tomaron imágenes de los cerebros de ratones jóvenes y viejos para trazar los cambios en la vasculatura del cerebro con el envejecimiento normal.

«Como estamos realizando un mapeo de alta resolución con suficiente resolución, podemos reconstruir toda la estructura vascular y escanear todo el cerebro para identificar las áreas que sufren una degeneración selectiva con la edad», dijo Kim. «Lo que descubrimos es que la zona que la mayoría de la gente estudia muestra la menor cantidad de cambios, mientras que los cambios profundos ocurren en áreas profundas del cerebro. Esto sugiere que hemos estado observando el área equivocada cuando se trata de estudios sobre el envejecimiento».

Las imágenes mostraron que los cambios en la red vascular no ocurren de manera uniforme en todo el cerebro, sino que se concentran en el prosencéfalo basal, las capas corticales profundas y la red hipocampal, lo que sugiere que estas áreas son más vulnerables a la degeneración vascular. Estas regiones desempeñan un papel en la atención, el sueño, el procesamiento y almacenamiento de la memoria, entre otras funciones.

A medida que el cerebro envejece, la longitud vascular y la densidad de ramificación disminuyen aproximadamente un 10%, lo que indica que hay una red más dispersa para distribuir la sangre. Las arterias en los cerebros más viejos también parecen más retorcidas en comparación con las de los cerebros más jóvenes, lo que puede impedir el flujo sanguíneo, especialmente en áreas más alejadas de las arterias principales, como las capas corticales profundas, explicó Kim.

El equipo también examinó los cambios funcionales de la vasculatura y descubrió que el sistema responde más lentamente en cerebros más viejos. Eso significa que no puede proporcionar a las neuronas la energía tan rápida y fácilmente como las células podrían necesitar. También se produce una pérdida de pericitos, un tipo de célula que regula el suministro de sangre y la permeabilidad de los vasos sanguíneos. Como resultado, los vasos sanguíneos se vuelven «permeables», lo que compromete la barrera hematoencefálica.

Este estudio se basa en investigaciones anteriores del grupo, en las que mapearon la vasculatura del cerebro de un ratón joven. A continuación, estudiarán cómo los cambios inducidos por la enfermedad de Alzheimer en el cerebro influyen en la salud vascular y la función neuronal. En última instancia, dijeron que esperan que su trabajo conduzca a tratamientos para trastornos neurodegenerativos.

Hannah Bennett, estudiante de doctorado y licenciatura en medicina, y Steffy Manjila, investigadora postdoctoral, codirigieron el estudio junto con Quingguang Zhang, que era profesor asistente de investigación en Penn State en el momento de la investigación y actualmente es profesor asistente en la Universidad Estatal de Michigan, y Yuan-ting Wu, que anteriormente fue científico investigador en Penn State y actualmente científico de proyectos en el Centro Médico Cedars-Sinai. Otros autores de Penn State que participaron en el artículo son Patrick Drew, profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica, de neurocirugía, de biología y de ingeniería biomédica y director interino de los Institutos Huck de Ciencias de la Vida; Uree Chon, técnico de investigación; Donghui Shin, tecnólogo de investigación; Daniel Vanselow, gerente de proyectos de investigación; Hyun-Jae Pi, científico de datos.