De nouvelles cartes 3D haute résolution montrent comment les vaisseaux sanguins du cerveau évoluent avec l’âge

La santé des vaisseaux sanguins ne se limite pas à la santé cardiaque. Le bien-être vasculaire est essentiel à la santé du cerveau et peut permettre de lutter contre le déclin cognitif lié à l’âge et les troubles neurodégénératifs, comme la maladie d’Alzheimer, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’université Penn State. Les résultats mettent en évidence un rôle clé, peu étudié mais possible, que joue le réseau vasculaire du cerveau (ou infrastructure énergétique) dans l’apparition de maladies neurodégénératives.

L’étude est publiée dans la revue Nature Communications.

À l’aide de techniques d’imagerie avancées, l’équipe a développé des cartes du cerveau d’une souris qui illustrent la façon dont les cellules et les structures vasculaires, comme les vaisseaux sanguins, évoluent avec l’âge et ont identifié les zones vulnérables à la détérioration. Lorsque les vaisseaux sanguins se dégradent, les cellules nerveuses du cerveau, appelées neurones, sont privées d’énergie, ce qui entraîne leur dysfonctionnement ou leur mort. Cela peut conduire à une maladie appelée démence vasculaire, la deuxième cause principale de déficience cognitive chez les personnes âgées, et à des symptômes tels que des troubles du sommeil.

« Dans le cas d’une maladie comme la maladie d’Alzheimer, lorsque l’on observe des changements vasculaires et un rétrécissement important du cerveau sur une IRM, la mort cellulaire a déjà eu lieu. Nous devons comprendre comment ces cellules et ces structures évoluent avant qu’une catastrophe majeure ne se produise », a déclaré Yongsoo Kim, professeur associé de sciences neurologiques et comportementales au Penn State College of Medicine et auteur principal de l’étude. « Cette étude fournit des signes précoces de troubles neurodégénératifs, pouvant conduire à un diagnostic plus précoce, et des indices sur la manière dont nous pouvons ralentir le processus de vieillissement et les changements cognitifs. »

Selon Kim, le vieillissement est l’un des principaux facteurs impliqués dans les troubles neurodégénératifs.

« Nous n’avons pas encore une bonne compréhension de base de la manière dont le vieillissement normal modifie le cerveau, en particulier sa vascularisation », a déclaré Kim. Et avec le vieillissement de la population aux États-Unis, il est essentiel de comprendre ces changements, en particulier au sein du réseau de vaisseaux sanguins, a-t-il ajouté.

Les vaisseaux sanguins, en particulier les micro-vaisseaux, régulent l’apport d’oxygène et d’énergie et l’élimination des déchets vers et depuis les neurones. Malgré leur importance, a déclaré Kim, la plupart des recherches existantes se concentrent sur la façon dont la structure et la fonction des neurones se dégradent au fil du temps, plutôt que sur la vascularisation. Lorsque les chercheurs étudient la vascularisation du cerveau, ils examinent principalement les gros vaisseaux sanguins ou se concentrent sur une seule région du cerveau facilement accessible, le cortex somatosensoriel. Plus important encore, les techniques de neuroimagerie classiques, comme l’IRM, n’offrent pas une résolution suffisamment élevée pour voir ce qui se passe dans les minuscules vaisseaux sanguins, qui constituent 80 à 85 % de la vascularisation du cerveau, selon Kim.

Kim et son équipe de recherche ont produit une carte détaillée du réseau vasculaire de l’ensemble du cerveau de la souris à l’aide de deux techniques de cartographie 3D à haute résolution : la tomographie à deux photons en série, une technique qui crée une série d’images 2D empilées, et la microscopie à fluorescence à feuillet lumineux, qui prend des images 3D d’échantillons intacts pour visualiser l’ensemble du cerveau à une résolution d’une seule cellule. Ils ont pris des images du cerveau de souris jeunes et âgées pour cartographier les changements de la vascularisation cérébrale au cours du vieillissement normal.

« Comme nous effectuons une cartographie à haute résolution avec une résolution suffisante, nous pouvons reconstruire toute la structure vasculaire et scanner l’ensemble du cerveau pour repérer les zones qui subissent une dégénérescence sélective avec l’âge », a déclaré Kim. « Nous avons découvert que la zone que la plupart des gens étudient présente le moins de changements, alors que les changements profonds se produisent dans les zones profondes du cerveau. Cela suggère que nous avons examiné la mauvaise zone dans le cadre des études sur le vieillissement. »

Les images ont montré que les changements dans le réseau vasculaire ne se produisent pas de manière égale dans tout le cerveau. Ils sont plutôt concentrés dans le cerveau antérieur basal, les couches corticales profondes et le réseau hippocampique, ce qui suggère que ces zones sont plus vulnérables à la dégénérescence vasculaire. Ces régions jouent un rôle dans l’attention, le sommeil, le traitement et le stockage de la mémoire, entre autres fonctions.

À mesure que le cerveau vieillit, la longueur des vaisseaux et la densité des ramifications diminuent d’environ 10 %, ce qui indique que le réseau de distribution du sang est plus clairsemé. Les artères des cerveaux plus âgés semblent également plus tordues que celles des cerveaux plus jeunes, ce qui peut entraver la circulation sanguine, en particulier dans les zones plus éloignées des artères principales comme les couches corticales profondes, a expliqué Kim.

L’équipe a également étudié les changements fonctionnels de la vascularisation et a découvert que le système réagit plus lentement dans les cerveaux plus âgés. Cela signifie qu’il ne peut pas fournir aux neurones l’énergie aussi rapidement et aussi facilement que les cellules en ont besoin. On observe également une perte de péricytes, un type de cellule qui régule l’apport sanguin et la perméabilité des vaisseaux sanguins. En conséquence, les vaisseaux sanguins deviennent « perméables », ce qui compromet la barrière hémato-encéphalique.

Cette étude s’appuie sur les recherches précédentes du groupe, qui ont permis de cartographier la vascularisation du cerveau d’une jeune souris. Ils étudieront ensuite comment les changements induits par la maladie d’Alzheimer dans le cerveau influencent la santé vasculaire et la fonction neuronale. À terme, ils espèrent que leurs travaux mèneront à des traitements pour les troubles neurodégénératifs.

Hannah Bennett, étudiante en médecine et en doctorat, et Steffy Manjila, chercheuse postdoctorale, ont codirigé l’étude avec Quingguang Zhang, qui était professeur adjoint de recherche à Penn State au moment de la recherche et est actuellement professeur adjoint à la Michigan State University, et Yuan-ting Wu, qui était auparavant chercheur scientifique à Penn State et actuellement scientifique de projet au Cedars-Sinai Medical Center. Parmi les autres auteurs de Penn State ayant participé à l’étude figurent Patrick Drew, professeur de sciences de l’ingénieur et de mécanique, de neurochirurgie, de biologie et de génie biomédical et directeur par intérim des Huck Institutes of the Life Sciences ; Uree Chon, technicienne de recherche ; Donghui Shin, technologue de recherche ; Daniel Vanselow, chef de projet de recherche ; Hyun-Jae Pi, scientifique des données.