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

In de hersenen bevinden zich kleine, gespecialiseerde wijken waar gedurende het hele leven van een zoogdier nieuwe zenuwcellen worden geboren. Dit proces, bekend als volwassen neurogenese, is essentieel voor leren, geheugen en emotionele gezondheid. In muizen, en waarschijnlijk ook in mensen, is een van de meest actieve van deze wijken gelegen in een gebogen structuur genaamd de hippocampus. Hier fungeert een specifieke zone als een kraamkamer voor stamcellen, die zich delen en uitgroeien tot nieuwe neuronen die uiteindelijk deel uitmaken van de complexe bedrading van de hersenen. Om te kunnen overleven en gedijen, hebben deze nieuwe cellen een ondersteunende omgeving nodig, vergelijkbaar met hoe een plant rijke grond en water nodig heeft. Een cruciaal onderdeel van dit ondersteuningssysteem is het netwerk van minuscule bloedvaten dat door het weefsel slingert en zuurstof en voedingsstoffen afgeeft terwijl afvalstoffen worden afgevoerd. Wetenschappers weten al lang dat de lay-out van deze bloedvaten verandert afhankelijk van in welke laag van de hippocampus ze zich bevinden, maar decennialang vertrouwde ons begrip van deze patronen vooral op grove, tweedimensionale schetsen en algemene beschrijvingen in plaats van op nauwkeurige metingen.

Een team onderzoekers aan The Ohio State University is nu verder gegaan dan die grove schetsen door een gedetailleerde, driedimensionale kaart te maken van de bloedvaten in dit hersengebied. Door een nieuwe combinatie van kleurstofinjectie en geavanceerde beeldvorming te gebruiken, waren zij in staat om het volledige vasculaire netwerk in dikke plakken van de hersenen te zien, waarbij de werkelijke vorm en grootte van de vaten werden vastgelegd op manieren die voorheen onmogelijk waren. Hun werk bevestigt enkele langgekoesterde overtuigingen over hoe deze vaten zijn gerangschikt, maar het zet ook andere ideeën opzij die gebaseerd waren op visuele gissingen. De studie onthult dat hoewel sommige lagen van de hersenen inderdaad vol zitten met vaten, andere verrassend ijl zijn, en dat de vorm van de vaten — of ze nu recht of kronkelend zijn — varieert op manieren die eerdere aannames uitdagen.

Om deze minuscule structuren duidelijk te kunnen zien, moesten de onderzoekers een grote hindernis overwinnen: de hersenen zijn een dicht, driedimensionaal object, maar traditionele microscopen platten beelden af naar twee dimensies, waardoor het moeilijk is om zaken te meten zoals hoe gedraaid een vat is of hoe dik het werkelijk is. Het team ontwikkelde een methode om de bloedvaten te vullen met een mengsel dat een blauwe kleurstof genaand trypaanblauw bevat, gemengd met gelatine en een eiwit genaamd albumine. Dit mengsel werd door het hart van de muizen gepompt, vulde de vaten en verstevigde vervolgens terwijl de hersenen werden afgekoeld, waardoor de bloedvaten effectief in hun natuurlijke, driedimensionale vorm werden 'bevroren'. Ze namen vervolgens dikke plakken van de hersenen, verwijderden het vetweefsel dat normaal gesproken licht blokkeert, en gebruikten een krachtige microscoop om de volledige diepte van de plak te scannen. Hierdoor konden ze de vaten zien als gloeiende, continue buizen in plaats van gebroken fragmenten.

Met behulp van computersoftware volgden de onderzoekers elk vat dat ze konden vinden en maten ze specifieke kenmerken zoals hoeveel ruimte de vaten innamen, hoe lang ze waren, hoe vaak ze vertakten, en hoe recht of kronkelig ze waren. Ze verdeelden het hersengebied in de natuurlijke lagen en vergeleken de vaten in elke laag. Een van hun eerste bevindingen bevestigde wat wetenschappers al lange tijd vermoedden: de laag waar de nieuwe neuronen worden geboren, is inderdaad zeer rijk aan bloedvaten, terwijl de laag die vol zit met volwassen zenuwcellen er veel minder heeft. Dit is logisch, aangezien de nieuwe cellen veel ondersteuning nodig hebben, terwijl de drukke volwassen cellen weinig ruimte laten voor vaten om doorheen te passeren.

De studie corrigeerde echter ook een aantal misvattingen. Jarenlang beschreven wetenschappers de vaten in de stamcelzone als uniek recht en geordend, bijna als een raster. De nieuwe driedimensionale gegevens toonden aan dat hoewel deze vaten inderdaad recht zijn, ze niet uniek recht zijn; vaten in andere nabijgelegen lagen zijn net zo recht. De echte uitschieter was een andere laag, waar de vaten aanzienlijk meer gedraaid en kronkelend waren dan overal anders. Deze laag is gevuld met de lange, vertakkende armen van zenuwcellen in plaats van de cellichamen zelf, en de onderzoekers suggereren dat het kronkelende pad van de bloedvaten noodzakelijk kan zijn om dicht bij deze vele armen te blijven, om ervoor te zorgen dat ze genoeg voedingsstoffen krijgen.

Het team mat ook voor het eerst de breedte van de vaten in deze regio. Ze ontdekten dat de vaten die door de drukke laag van volwassen cellen lopen, merkbaar dunner waren dan de vaten in de andere lagen. Dit gebeurt waarschijnlijk omdat de dicht opeengepakte cellen de vaten samendrukken, waardoor ze kleiner worden. Op dezelfde manier telden ze hoe vaak de vaten splitsen in vertakkingen. Ze ontdekten dat de meest kronkelige laag ook de meeste vertakkingspunten had, terwijl de rechtere lagen er minder hadden. Dit suggereert dat de beschikbare fysieke ruimte in elke laag niet alleen bepaalt hoe de vaten zijn gerangschikt, maar ook hoe ze groeien en verbinden.

Door vage beschrijvingen om te zetten in harde cijfers, biedt dit onderzoek een solide fundament voor toekomstige studies. Het geeft wetenschappers een duidelijke baseline van hoe een gezond vasculair netwerk eruitziet in dit deel van de hersenen. Als onderzoekers willen begrijpen hoe ziekten zoals Alzheimer of letsel de hersenen beïnvloeden in hun vermogen om nieuwe cellen te laten groeien, hebben ze nu een precieze manier om te meten of het bloedstrengelnetwerk is veranderd. De methoden die hier gebruikt zijn, zijn relatief eenvoudig en maken gebruik van instrumenten die in veel laboratoria beschikbaar zijn, wat betekent dat andere wetenschappers deze aanpak gemakkelijk kunnen overnemen om de 'loodgieterij' van de hersenen in nog meer detail te bestuderen. Uiteindelijk helpt het begrijpen van de exacte architectuur van deze bloedvaten om te verklaren hoe de hersenen hun eigen vernieuwing ondersteunen, wat een helderder beeld geeft van hoe we deze vitale systemen ooit zouden kunnen repareren of beschermen.