Classic and novel features of the dentate gyrus vascular niche quantified through 3D vessel reconstruction

All'interno del cervello, esistono piccoli quartieri specializzati dove nuove cellule nervose nascono per tutta la vita di un mammifero. Questo processo, noto come neurogenesi adulta, è vitale per l'apprendimento, la memoria e la salute emotiva. Nei topi, e probabilmente anche negli esseri umani, uno dei quartieri più attivi si trova in una struttura curva chiamata ippocampo. Qui, una zona specifica funge da vivaio per le cellule staminali, che si dividono e crescono in nuovi neuroni che infine si uniscono alla complessa rete del cervello. Affinché queste nuove cellule possano sopravvivere e prosperare, hanno bisogno di un ambiente di supporto, proprio come una pianta ha bisogno di terreno fertile e acqua. Una parte critica di questo sistema di supporto è la rete di minuscoli vasi sanguigni che si snoda attraverso il tessuto, trasportando ossigeno e nutrienti e rimuovendo i rifiuti. Gli scienziati sanno da tempo che la disposizione di questi vasi cambia a seconda dello strato in cui si trovano nell'ippocampo, ma per decenni la nostra comprensione di questi schemi si è basata soprattutto su schizzi approssimativi in due dimensioni e descrizioni generali, piuttosto che su misurazioni precise.

Un team di ricercatori della Ohio State University è ora passato da quegli schizzi approssimativi alla creazione di una mappa dettagliata in tre dimensioni dei vasi sanguigni in questa regione cerebrale. Utilizzando una nuova combinazione di iniezione di colorante e tecniche di imaging avanzate, sono stati in grado di vedere l'intera rete vascolare in spessi strati di cervello, catturando la vera forma e dimensione dei vasi in modi che prima erano impossibili. Il loro lavoro conferma alcune convinzioni radicate su come questi vasi siano disposti, ma ribalta anche altre idee basate su supposizioni visive. Lo studio rivela che, sebbene alcuni strati del cervello siano effettivamente densi di vasi, altri sono sorprendentemente radi, e la forma dei vasi — se siano dritti o tortuosi — varia in modi che mettono in discussione le precedenti assunzioni.

Per vedere chiaramente queste strutture minuscole, i ricercatori hanno dovuto superare un grande ostacolo: il cervello è un oggetto denso e tridimensionale, ma i microscopi tradizionali appiattiscono le immagini in due dimensioni, rendendo difficile misurare cose come quanto un vaso sia contorto o quanto sia realmente spesso. Il team ha sviluppato un metodo per riempire i vasi sanguigni con una miscela contenente un colorante blu chiamato blu di trypano, mescolato con gelatina e una proteina chiamata albumina. Questa miscela è stata pompata attraverso il cuore dei topi, riempiendo i vasi e poi indurendosi mentre il cervello veniva raffreddato, congelando efficacementmente i vasi sanguigni nella loro forma naturale tridimensionale. Hanno poi prelevato spessi strati di cervello, rimosso il tessuto grasso che di solito blocca la luce e utilizzato un potente microscopio per scansionare l'intera profondità della sezione. Ciò ha permesso loro di vedere i vasi come tubi luminosi e continui, piuttosto che come frammenti interrotti.

Utilizzando un software per computer, i ricercatori hanno tracciato ogni vaso che riuscivano a trovare e hanno misurato caratteristiche specifiche come lo spazio occupato dai vasi, la loro lunghezza, la frequenza delle ramificazioni e quanto fossero dritti o tortuosi. Hanno diviso la regione cerebrale nei suoi strati naturali e hanno confrontato i vasi in ciascuno di essi. Uno dei loro primi risultati ha confermato ciò che gli scienziati sospettavano da tempo: lo strato in cui nascono i nuovi neuroni è effettivamente molto ricco di vasi sanguigni, mentre lo strato denso di neuroni maturi ne contiene molti meno. Questo ha senso, poiché le nuove cellule necessitano di molto supporto, mentre le cellule mature affollate lasciano poco spazio per il passaggio dei vasi.

Tuttavia, lo studio ha anche corretto alcune imprecisioni. Per anni, gli scienziati hanno descritto i vasi nella zona delle cellule staminali come unici nel loro essere dritti e ordinati, quasi come una griglia. I nuovi dati tridimensionali hanno mostrato che, sebbene questi vasi siano effettivamente dritti, non lo sono in modo unico; i vasi negli altri strati vicini sono altrettanto dritti. La vera particolarità era un diverso strato, dove i vasi erano significativamente più contorti e sinuosi rispetto a qualsiasi altra parte. Questo strato è pieno dei lunghi rami delle cellule nervose piuttosto che dei corpi cellulari stessi, e i ricercatori suggeriscono che il percorso tortuoso dei vasi sanguigni possa essere necessario per rimanere vicini a questi molti rami, garantendo loro abbastanza nutrienti.

Il team ha misurato anche la larghezza dei vasi per la prima volta in questa regione. Hanno scoperto che i vasi che scorrono attraverso lo strato affollato di cellule mature erano sensibilmente più sottili rispetto agli altri strati. Ciò accade probabilmente perché le cellule densamente impacchettate schiacciano i vasi, costringendoli a diventare più piccoli. Allo stesso modo, hanno contato quante volte i vasi si dividono in rami. Hanno scoperto che lo strato più tortuoso presentava anche il maggior numero di punti di ramificazione, mentre gli strati più dritti ne avevano meno. Ciò suggerisce che lo spazio fisico disponibile in ogni strato determina non solo come i vasi sono disposti, ma anche come crescono e si connettono.

Trasformando descrizioni vaghe in numeri certi, questa ricerca fornisce una base solida per studi futuri. Offre agli scienziati una linea di base chiara di ciò che costituisce una rete vascolare sana in questa parte del cervello. Se i ricercatori vogliono capire come malattie come l'Alzheimer o le lesioni influenzino la capacità del cervello di generare nuove cellule, ora dispongono di un modo preciso per misurare se la rete dei vasi sanguigni sia cambiata. I metodi utilizzati qui sono relativamente semplici e si affidano a strumenti disponibili in molti laboratori, il che significa che altri scienziati possono facilmente adottare questo approccio per studiare l'idraulica del cervello con ancora maggiore dettaglio. In definitiva, comprendere l'esatta architettura di questi vasi sanguigni aiuta a spiegare come il cervello sostenga il proprio rinnovamento, offrendo una visione più chiara di come potremmo un giorno riparare o proteggere questi sistemi vitali.