Le alterazioni bidirezionali della temperatura cerebrale modulano profondamente le risposte neurovascolari spaziotemporali

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 185 (2023) Citare questo articolo

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L'accoppiamento neurovascolare (NVC) è un meccanismo che, tra le altre funzioni critiche note e latenti, garantisce che le regioni cerebrali attivate siano adeguatamente fornite di ossigeno e glucosio. Questo fenomeno biologico è alla base delle tecniche di neuroimaging non invasive correlate alla perfusione e recenti rapporti hanno implicato la compromissione della NVC in diversi disturbi neurodegenerativi. Tuttavia, molto rimane sconosciuto riguardo alla CNV nella salute e nella malattia, e solo di recente si è assistito a un crescente riconoscimento di una stretta interazione con la termodinamica cerebrale. Di conseguenza, abbiamo sviluppato un nuovo approccio multimodale per modulare sistematicamente la temperatura corticale e interrogare le dinamiche spaziotemporali della CNV evocata dai sensi. Mostriamo che i cambiamenti nella temperatura corticale modulano profondamente e in modo complesso la NVC, con basse temperature associate a un ridotto apporto di ossigeno e alte temperature che inducono una distinta oscillazione vascolare. Queste osservazioni forniscono nuove informazioni sulla relazione tra NVC e termodinamica cerebrale, con importanti implicazioni per le terapie correlate alla temperatura cerebrale, biomarcatori funzionali di elevata temperatura cerebrale e metodi in vivo per studiare l’accoppiamento neurovascolare.

L'accoppiamento neurovascolare è un meccanismo omeostatico vitale che supporta numerose funzioni critiche nel cervello sano, tra cui l'apporto di ossigeno e glucosio alle regioni attivate, l'eliminazione dei materiali di scarto e dei sottoprodotti metabolici, il traffico neuroimmune e la regolazione della temperatura cerebrale1. L'accoppiamento neurovascolare preservato è un presupposto fondamentale alla base dell'inferenza dell'attivazione neuronale da segnali di neuroimaging correlati alla perfusione, come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) (BOLD) dipendente dal livello di ossigeno nel sangue2. L'alterazione dell'accoppiamento neurovascolare, a sua volta, ha suscitato particolare interesse negli ultimi tempi, con studi recenti che implicano che i deficit giochino un ruolo chiave nella progressione, e forse nell'inizio, di disturbi neurodegenerativi come il morbo di Alzheimer3,4,5, e sottolineando il potenziale dell'accoppiamento neurovascolare. deficit unitari come nuovi bersagli terapeutici e biomarcatori sensibili della malattia precoce.

La temperatura cerebrale è regolata da una complessa interazione tra metabolismo cerebrale, flusso sanguigno e temperatura corporea interna, in modo tale che in soggetti umani sani, la produzione di calore nelle regioni cerebrali attivate dovuta all'aumento del tasso metabolico viene dissipata dall'afflusso di sangue a temperatura interna durante le fasi funzionali. iperemia6,7. Le alterazioni patologiche della temperatura cerebrale, d'altro canto, sono sempre più riconosciute come una caratteristica importante in diversi disturbi tra cui malattie neurodegenerative, epilessia, lesioni cerebrali e ictus 8,9. Il declino età-dipendente del metabolismo cerebrale è associato a una concomitante riduzione della temperatura cerebrale10, e la diminuzione della temperatura cerebrale nei pazienti con malattia di Parkinson è stata attribuita a una biogenesi mitocondriale compromessa11,12, con soggetti con malattia mitocondriale che mostrano ipotermia cerebrale a causa di una difettosa fosforilazione ossidativa13 . Anche la febbre (piressia) conseguente a un ictus è associata ad un aumento della morbilità e della mortalità14 ed è frequentemente osservata in seguito a lesioni cerebrali traumatiche15 ed è collegata ad un aumento della gravità neurologica e della durata della degenza nelle unità di terapia intensiva16. Aumenti della temperatura cerebrale sono osservati in concomitanza durante l'attività convulsiva17,18 e le convulsioni indotte dalla febbre sono l'attività cerebrale patologica più diffusa durante lo sviluppo, con un numero sproporzionato di pazienti adulti con epilessia del lobo temporale mediale che hanno avuto convulsioni febbrili durante l'infanzia19,20. Questi rapporti, e altri, hanno portato a un notevole interesse recente nella manipolazione della temperatura cerebrale come strategia terapeutica per migliorare gli esiti delle malattie neurologiche, sebbene gli studi clinici abbiano riportato successi contrastanti potenzialmente a causa della mancanza di consenso sui protocolli di intervento ottimali21,22,23 ,24. Sebbene vi siano prove sostanziali che i cambiamenti nella temperatura cerebrale alterano le risposte associate ai vasi sanguigni, come l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno (e quindi la saturazione dell'ossigeno nel sangue)7, la permeabilità della barriera emato-encefalica25 e il flusso sanguigno cerebrale, nonché i tassi neurometabolici18, si sa molto poco sull'influenza della temperatura cerebrale sull'evoluzione spaziotemporale dell'accoppiamento neurovascolare. Affrontare questa importante lacuna nella ricerca è fondamentale per (1) chiarire come le alterazioni patologiche della temperatura cerebrale esacerbano gli esiti clinici avversi in una varietà di disturbi cerebrali, (2) sviluppare approcci terapeutici razionali ed efficaci basati sulla modulazione della temperatura cerebrale e (3) consentire un interpretazione più precisa dei segnali correlati alla BOLD fMRI, in termini di attivazione neuronale sottostante, in salute e malattia.