Permeability of the extracellular space in the rat, mouse, and human brain

Nel profondo del cervello, tra le cellule densamente impacchettate che pensano, sentono e ricordano, giace una rete nascosta di minuscoli canali. Questi spazi, noti come spazio extracellulare, sono riempiti di un fluido che funge da vitale sistema di tubature per l'organo. Questo fluido trasporta via i rifiuti metabolici che le cellule producono mentre lavorano, proprio come un fiume che lava via i detriti da una città. Se questo sistema di pulizia fallisce, le proteine tossiche possono accumularsi, un processo collegato a gravi malattie neurologiche. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che questo fluido si muove, ma hanno faticato a misurare quanto facilmente scorra attraverso il labirinto microscopico del tessuto cerebrale. La velocità di questo flusso dipende da una proprietà chiamata permeabilità, che descrive quanto i percorsi siano aperti o ostruiti. Senza conoscere la vera permeabilità, è difficile costruire modelli accurati di come il cervello si pulisca da solo o progettare farmaci che possano viaggiare attraverso questo fluido per raggiungere i loro bersagli.

Un team di ricercatori dell'Università di Rochester ha ora dato un'occhiata diretta a questa tubatura nascosta nei cervelli di ratti, topi e umani. Invece di tirare a indovinare o affidarsi a misurazioni indirette, hanno utilizzato immagini tridimensionali ad alta risoluzione di tessuto cerebrale reale per costruire modelli digitali degli spazi tra le cellule. Hanno poi simulato il flusso di fluido attraverso questi spazi digitali per calcolare esattamente quanto siano permeabili. Il loro lavoro rivela che, sebbene l'efficienza di pulizia del cervello cambi a seconda che l'animale sia sveglio o addormentato, la facilità fondamentale con cui il fluido si muove attraverso il tessuto è sorprendentemente simile in queste diverse specie. Lo studio mette inoltre in discussione una regola matematica di lunga data che gli scienziati hanno usato per anni per stimare questi valori, mostrando che la vecchia regola sottostima costantemente quanto siano aperti i percorsi del cervello.

Per capire cosa abbiano fatto i ricercatori, bisogna innanzitutto immaginare il cervello non come un blocco solido, ma come una spugna composta da miliardi di cellule. Il fluido che pulisce il cervello scorre attraverso i minuscoli spazi tra queste cellule. In passato, gli scienziati hanno cercato di stimare quanto siano larghi questi spazi e quanto velocemente il fluido si muova attraverso di essi, ma i risultati sono variati enormemente, con alcune stime che suggerivano che il fluido si muovesse molto lentamente e altre che suggerivano che scorresse molto più velocemente. Questa incertezza deriva dal fatto che il cervello è incredibilmente complesso e gli spazi tra le cellule sono troppo piccoli per essere visti chiaramente con strumenti standard. I ricercatori in questo studio hanno aggirato queste limitazioni utilizzando i dati della microscopia elettronica, che forniscono una visione della struttura cerebrale a una scala in cui le singole cellule e i loro minuscoli spazi sono visibili. Hanno preso queste immagini dettagliate dai cervelli di ratti, topi e umani e le hanno trasformate in modelli informatici.

In questi modelli informatici, i ricercatori potevano manipolare la dimensione degli spazi tra le cellule. Sapevano che il volume del cervello cambia in base allo stato di coscienza; ad esempio, gli spazi tra le cellule si espandono quando l'animale dorme e si restringono quando è sveglio. Ampliando e restringendo artificialmente questi spazi digitali, il team poteva osservare come cambiava il flusso del fluido in risposta. Hanno applicato una leggera pressione per spingere il fluido attraverso i modelli e hanno misurato quanto fluido passasse in un dato tempo. Ciò ha permesso loro di calcolare la permeabilità, ovvero la facilità di flusso, per ogni specifica disposizione di cellule. Hanno eseguito questi calcoli in più località all'interno di ogni cervello per garantire che i loro risultati fossero coerenti e non solo un colpo di fortuna di un singolo punto.

I risultati hanno mostrato che la permeabilità del sistema di pulizia del cervello è di una magnitudo simile in tutte e tre le specie. Per il cervello di ratto, la permeabilità media era di circa 18 nanometri quadrati. Per il cervello di topo, era di circa 34 nanometri quadrati, e per il cervello umano era di circa 10 nanometri quadrati. Sebbene questi numeri differiscano di qualche fattore, sono tutti all'interno dello stesso intervallo generale, suggerendo che la fisica fondamentale del flusso di fluidi sia conservata in questi diversi mammiferi. I ricercatori hanno anche scoperto che la permeabilità cambia drasticamente con la dimensione degli spazi. Quando hanno simulato il cervello in uno stato in cui gli spazi erano più larghi, simile allo stato del sonno, la permeabilità è aumentata significativamente. Nel cervello di ratto, l'allargamento degli spazi ha causato un salto della permeabilità di quasi cinque volte. Nel cervello di topo, l'aumento è stato ancora più drammatico, salendo di oltre dodici volte. Nel cervello umano, la permeabilità è aumentata di quasi nove volte. Ciò conferma che la capacità del cervello di espellere i rifiuti dipende fortemente dall'espansione fisica degli spazi tra le cellule, fornendo una spiegazione meccanica del perché il sonno sia così cruciale per la salute cerebrale.

Una parte significativa dello studio è stata dedicata al test di una formula standard che gli scienziati usano da decenni per stimare la permeabilità in materiali porosi come il suolo o la sabbia. Questa formula, nota come equazione di Kozeny-Carman, mette in relazione la dimensione degli spazi con la facilità di flusso. I ricercatori hanno applicato questa formula ai loro dati cerebrali per vedere se reggeva. Hanno scoperto che la formula falliva costantemente nel prevedere il flusso effettivo che osservavano nelle loro simulazioni. In ogni caso, la formula prevedeva che il fluido si muoverebbe molto più lentamente di quanto accadeva realmente nei loro modelli dettagliati. La formula sottostimava la permeabilità di più della metà in tutte e tre le specie. Ciò suggerisce che la struttura microscopica del cervello sia troppo complessa e unica perché questa equazione generica funzioni con precisione.

Per fornire uno strumento migliore per la ricerca futura, il team ha sviluppato una nuova, semplice relazione matematica basata sui dati delle loro simulazioni. Questa nuova formula descrive come la permeabilità cambi man mano che gli spazi tra le cellule diventano più grandi o più piccoli. A differenza della vecchia formula, questa nuova relazione corrispondeva molto da vicino ai risultati delle loro simulazioni informatiche dettagliate. Offre un modo più affidabile per stimare quanto velocemente il fluido possa muoversi attraverso il tessuto cerebrale in diverse condizioni, come durante il sonno o la veglia. I ricercatori hanno anche testato se il modo specifico in cui le cellule cambiavano dimensione importasse. Hanno confrontato uno scenario in cui tutte le cellule si rimpicciolivano o si espandevano uniformemente contro uno scenario in cui solo le cellule di supporto a forma di stella, chiamate astrociti, cambiavano dimensione mentre le altre rimanevano invariate. Hanno scoperto che entrambi i metodi producevano risultati quasi identici per il flusso del fluido. Ciò implica che l'efficienza di pulizia del cervello è controllata principalmente dal volume complessivo degli spazi, indipendentemente da quali cellule specifiche stiano gonfiandosi o rimpicciolendosi.

Lo studio ha anche affrontato un mistero precedente riguardante la velocità con cui i rifiuti vengono eliminati dal cervello. Alcuni modelli precedenti suggerivano che il cervello avesse bisogno di una permeabilità molto elevata per spiegare la rapidità con cui i rifiuti vengono rimossi, un valore molto più alto di quello che i ricercatori hanno trovato nelle loro simulazioni. Perfezionando il loro modello per includere un percorso specifico per l'uscita dei rifiuti attraverso i ventricoli, le cavità piene di fluido al centro del cervello, i ricercatori sono stati in grado di far corrispondere le osservazioni sperimentali della rimozione dei rifiuti con i valori di permeabilità più bassi e realistici che avevano misurato. Questa scoperta suggerisce che il cervello non ha bisogno di essere permeabile quanto precedentemente pensato per eliminare i rifiuti efficacemente, a condizione che le vie d'uscita attraverso i ventricoli siano adeguatamente considerate.

I ricercatori hanno riconosciuto che il loro lavoro presenta dei limiti. Le immagini utilizzate sono state scattate da tessuto cerebrale che è stato preservato con sostanze chimiche, un processo che può talvolta restringere gli spazi tra le cellule o alterarne la forma. Hanno anche notato che i loro modelli trattavano le cellule come oggetti rigidi, mentre le cellule reali possono essere morbide e deformabili. Tuttavia, hanno testato l'effetto della morbidezza cellulare e hanno scoperto che aveva un impatto molto piccolo sul flusso. Nonostante questi limiti, lo studio fornisce il look più diretto e dettagliato finora sulla permeabilità dello spazio extracellulare cerebrale. Passando dalle stime generali all'uso di mappe tridimensionali realistiche del cervello, il team ha stabilito un nuovo punto di riferimento per comprendere come il fluido si muove nel cervello umano e in quello dei nostri parenti animali più stretti. Il loro lavoro suggerisce che il sistema di pulizia del cervello sia un processo robusto, fisicamente vincolato, che opera entro un intervallo prevedibile, offrendo una base più chiara per comprendere come il cervello mantenga la propria salute e come possa fallire in caso di malattia.