Los científicos de Columbia han descubierto que los picos en la actividad de las neuronas en ratones jóvenes no estimulan los aumentos correspondientes en el flujo sanguíneo, un descubrimiento que contrasta con el cerebro del ratón adulto. Este nuevo estudio plantea preguntas sobre cómo el cerebro humano en crecimientosatisface sus necesidades de energía, así como la mejor forma de rastrear el desarrollo del cerebro con imágenes de resonancia magnética funcional, o fMRI, que se basa en los cambios del flujo sanguíneo para mapear la actividad neuronal en el cerebro. La investigación también podría proporcionar nuevas ideas críticas para mejorar la atención parainfantes
Los hallazgos fueron publicados en el Revista de Neurociencia .
"En el cerebro adulto, la actividad neuronal desencadena un impulso localizado en el flujo sanguíneo. Desde hace tiempo se supone que esta relación entre la actividad neuronal y el flujo sanguíneo está presente desde el nacimiento, pero nuestros hallazgos en ratones sugieren lo contrario: que en cambio se desarrollatiempo ", dijo Elizabeth Hillman, PhD, investigadora principal del Instituto Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior de Columbia, profesora asociada de ingeniería biomédica y radiología en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Fundación Fu de Columbia y autora principal del artículo. Nuestro estudio sugiere ademásque este proceso es una parte esencial de la construcción de un cerebro sano y podría representar un factor inexplorado en los trastornos cerebrales que surgen en la primera infancia ".
El estudio de hoy fue motivado por estudios anteriores de fMRI en humanos que informaron respuestas muy diferentes en los cerebros de los bebés en comparación con los cerebros de los adultos.
"Nadie sabía cómo interpretar las respuestas del flujo sanguíneo en el cerebro en desarrollo", dijo Mariel Kozberg MD, PhD, un recién graduado de neurobiología de Columbia en el laboratorio del Dr. Hillman y el primer autor del artículo. En este estudio, necesitamos encontrar¿Cuál fue la diferencia entre los cerebros de adultos y recién nacidos? ¿Eran las diferencias en la actividad neuronal en sí misma o radicaban en la relación entre esta actividad y los cambios locales en el flujo sanguíneo? "
Para responder a esta pregunta, los doctores Hillman y Kozberg desarrollaron una nueva técnica de imagen que registraba simultáneamente la actividad neuronal y el flujo sanguíneo en los cerebros de ratones de diferentes edades desde recién nacidos hasta adultos, rastreando cómo respondía el cerebro cuando estimulaban cada unopata trasera del animal
"Cuando comenzamos a obtener datos, nos sorprendió lo que pudimos ver", dijo el Dr. Kozberg. Primero, los innovadores métodos de imagen del equipo revelaron que, para los ratones más jóvenes, la estimulación de la pata trasera causó una fuerte respuesta neuronal, peroesta respuesta se localizó en una región. Luego, a medida que los animales crecieron, la respuesta neuronal comenzó a extenderse. A los 10 días de edad, la estimulación de la pata derecha primero provocó actividad en el lado izquierdo del cerebro antes de viajar al lado derecho,correspondiente al desarrollo de conexiones entre los dos hemisferios.
"Nos dimos cuenta de que en realidad estábamos observando cómo las células formaban conexiones entre sí en todo el cerebro: el desarrollo de redes neuronales", agregó el Dr. Hillman, quien también es miembro del Instituto Kavli para la Ciencia del Cerebro en Columbia.
El segundo hallazgo de los investigadores fue aún más sorprendente. En los ratones más jóvenes, la actividad neuronal no desencadenó un aumento en el flujo sanguíneo, como ocurre en el cerebro del ratón adulto. Pero a medida que los animales maduraron y sus redes neuronales se establecieron más,la respuesta del flujo sanguíneo del cerebro gradualmente se fortaleció con el tiempo hasta que el animal alcanzó la edad adulta.
"Era como si el cerebro estuviera aprendiendo gradualmente a alimentarse", dijo el Dr. Hillman, quien señala que este hallazgo tiene mucho sentido. "No es sorprendente que los vasos sanguíneos y la maquinaria que los vincula a la actividad cerebral- maduraría al mismo ritmo que el desarrollo de la actividad neuronal ".
Sin embargo, estos resultados plantearon una pregunta preocupante. El trabajo de los vasos sanguíneos es entregar sangre rica en oxígeno al cerebro. Entonces, ¿puede el cerebro del recién nacido realmente funcionar y crecer sin aumentos posteriores en el flujo sanguíneo?Kozberg y Hillman usaron otra técnica de imagen óptica, llamada imagen de flavoproteína, que mide cómo el cerebro del recién nacido usaba oxígeno.
"En los animales más jóvenes, confirmamos que las neuronas estaban consumiendo oxígeno, pero sin un torrente de sangre fresca, parecían quedarse sin combustible", dijo el Dr. Kozberg. "Descubrimos que la actividad neuronal en realidad causaba una localización localizada"caídas en los niveles de oxígeno, conocidas como hipoxias "
Los doctores Hillman y Kozberg proponen varias explicaciones para este sorprendente resultado. "Los recién nacidos hacen una transición increíble de estar dentro del útero para respirar aire en la sala de partos", señaló el Dr. Hillman. "Para sobrevivir esas primeras horas, el recién nacidoEl cerebro debe estar bien preparado para soportar enormes fluctuaciones en la disponibilidad de oxígeno ".
Debido a que las hipoxias observadas en ratones jóvenes parecen ser parte del proceso normal de desarrollo, los autores proponen que de hecho puede tener un propósito importante.
"Sabemos que la falta de oxígeno puede desencadenar el crecimiento de los vasos sanguíneos", dijo el Dr. Kozberg. "Entonces, en este caso, la actividad neuronal en el cerebro del recién nacido podría estar guiando a los vasos sanguíneos a crecer en los lugares correctos".
En adelante, el equipo se está preparando para comparar sus resultados en ratones con el cerebro humano. El Dr. Hillman está trabajando con investigadores del Departamento de Psiquiatría de Columbia para analizar cientos de escáneres fMRI previamente obtenidos de recién nacidos, así como de niños de diferentessiglos.
"Si podemos encontrar las mismas firmas del desarrollo neurovascular en bebés humanos, podríamos convertir la fMRI en una herramienta aún más poderosa. Por ejemplo, usarla para comprender, detectar y rastrear mejor los orígenes de los trastornos del desarrollo en el cerebro del recién nacido," ella dijo.
El equipo del Dr. Hillman también está ansioso por seguir estudiando el metabolismo del oxígeno en los recién nacidos. Los bebés prematuros expuestos a altos niveles de oxígeno pueden sufrir de retinopatía, una condición en la que los vasos sanguíneos en los ojos crecen incorrectamente. Supone que el exceso de oxígeno podría conducir a laLas mismas interrupciones en el crecimiento de los vasos sanguíneos en el cerebro mismo.
Agregó el Dr. Hillman, "Si podemos aprender más sobre el estado metabólico único del cerebro en desarrollo, podríamos mejorar las estrategias de tratamiento para los bebés prematuros, al mismo tiempo que obtendremos una comprensión más profunda del desarrollo cerebral normal y anormal en general".
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Materiales proporcionado por El Instituto Zuckerman de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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