Eine erste Studie ihrer Art, die von Forschern der Georgia State geleitet wurde, enthüllt überraschende neue Informationen über die Beziehung zwischen der Neuronenaktivität und dem Blutfluss tief im Gehirn sowie darüber, wie das Gehirn durch den Salzkonsum beeinflusst wird.
Wenn Neuronen aktiviert werden, führt dies typischerweise zu einer schnellen Zunahme des Blutflusses in das Gebiet. Diese Beziehung ist als neurovaskuläre Kopplung oder funktionelle Hyperämie bekannt und tritt über die Erweiterung der Blutgefäße im Gehirn, die als Arteriolen bezeichnet werden, auf. Functional Magnetic Resource Imaging (fMRT) basiert auf dem Konzept der neurovaskulären Kopplung: Experten suchen nach Bereichen mit schwacher Durchblutung, um Hirnerkrankungen zu diagnostizieren.
Bisherige Studien zur neurovaskulären Kopplung waren jedoch auf oberflächliche Bereiche des Gehirns (wie die Großhirnrinde) beschränkt, und Wissenschaftler haben hauptsächlich untersucht, wie sich der Blutfluss als Reaktion auf sensorische Reize aus der Umgebung (wie visuelle oder auditive Reize) verändert. Es ist wenig darüber bekannt, ob die gleichen Prinzipien für tiefere Hirnregionen gelten, die auf vom Körper selbst erzeugte Reize, sogenannte interozeptive Signale, eingestellt sind.
Um diese Beziehung in tiefen Hirnregionen zu untersuchen, entwickelte ein interdisziplinäres Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Dr. Javier Stern, Professor für Neurowissenschaften am Staat Georgia und Direktor des Zentrums für Neuroinflammation und kardiometabolische Erkrankungen der Universität, einen neuartigen Ansatz, der chirurgische Techniken und staatliche Neuroimaging auf dem neuesten Stand der Technik. Das Team konzentrierte sich auf den Hypothalamus, eine tiefe Hirnregion, die an kritischen Körperfunktionen wie Trinken, Essen, Regulierung der Körpertemperatur und Fortpflanzung beteiligt ist. Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Zellenberichte, untersuchte, wie sich der Blutfluss zum Hypothalamus als Reaktion auf die Salzaufnahme veränderte.
„Wir haben uns für Salz entschieden, weil der Körper den Natriumspiegel sehr genau kontrollieren muss. Wir haben sogar spezielle Zellen, die erkennen, wie viel Salz in Ihrem Blut ist“, sagt Stern. „Wenn Sie salzige Nahrung zu sich nehmen, nimmt das Gehirn dies wahr und aktiviert eine Reihe von Kompensationsmechanismen, um den Natriumspiegel wieder zu senken.“
Der Körper tut dies teilweise durch die Aktivierung von Neuronen, die die Freisetzung von Vasopressin auslösen, einem antidiuretischen Hormon, das eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der richtigen Salzkonzentration spielt. Im Gegensatz zu früheren Studien, die einen positiven Zusammenhang zwischen Neuronenaktivität und erhöhtem Blutfluss beobachteten, fanden die Forscher eine Abnahme des Blutflusses, wenn die Neuronen im Hypothalamus aktiviert wurden.
„Die Ergebnisse haben uns überrascht, weil wir eine Vasokonstriktion gesehen haben, die das Gegenteil von dem ist, was die meisten Menschen als Reaktion auf einen sensorischen Reiz im Kortex beschrieben haben“, sagte Stern. „Normalerweise wird eine verminderte Durchblutung der Rinde bei Erkrankungen wie Alzheimer oder nach einem Schlaganfall oder einer Ischämie.“
Das Team nannte das Phänomen „inverse neurovaskuläre Kopplung“ oder eine Abnahme des Blutflusses, die Hypoxie erzeugt. Sie beobachteten auch andere Unterschiede: Im Kortex sind die vaskulären Reaktionen auf Reize sehr lokalisiert und die Erweiterung erfolgt schnell. Im Hypothalamus war die Reaktion diffus und erfolgte langsam über einen langen Zeitraum.
„Wenn wir viel Salz essen, bleibt unser Natriumspiegel lange Zeit erhöht“, sagt Stern. „Wir glauben, dass die Hypoxie ein Mechanismus ist, der die Fähigkeit der Neuronen stärkt, auf die anhaltende Salzstimulation zu reagieren, sodass sie über einen längeren Zeitraum aktiv bleiben können.“
Die Ergebnisse werfen interessante Fragen darüber auf, wie sich Bluthochdruck auf das Gehirn auswirken kann. Es wird angenommen, dass zwischen 50 und 60 Prozent der Hypertonie salzabhängig sind – ausgelöst durch übermäßigen Salzkonsum. Das Forschungsteam plant, diesen inversen neurovaskulären Kopplungsmechanismus in Tiermodellen zu untersuchen, um festzustellen, ob er zur Pathologie der salzabhängigen Hypertonie beiträgt. Darüber hinaus hoffen sie, mit ihrem Ansatz auch andere Hirnregionen und -krankheiten zu untersuchen, darunter Depressionen, Fettleibigkeit und neurodegenerative Erkrankungen.
„Wenn Sie chronisch viel Salz zu sich nehmen, haben Sie eine Hyperaktivierung von Vasopressin-Neuronen. Dieser Mechanismus kann dann eine übermäßige Hypoxie auslösen, die zu Gewebeschäden im Gehirn führen könnte“, sagte Stern. „Wenn wir diesen Prozess besser verstehen, können wir neue Ziele entwickeln, um diese hypoxieabhängige Aktivierung zu stoppen und vielleicht die Ergebnisse von Menschen mit salzabhängigem Bluthochdruck zu verbessern.“
Referenz: „Inverse neurovaskuläre Kopplung trägt zur positiven Rückkopplungserregung von Vasopressin-Neuronen während einer systemischen homöostatischen Herausforderung bei“ von Ranjan K. Roy, Ferdinand Althammer, Alexander J. Seymour, Wenting Du, Vinicia C. Biancardi, Jordan P. Hamm, Jessica A. Filosa, Colin H. Brown und Javier E. Stern, 2. November 2021, Zellenberichte.
DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109925
Zu den Autoren der Studie gehören Ranjan Roy und Ferdinand Althammer, Postdoktoranden am Center for Neuroinflammation and Cardiometabolic Diseases, Jordan Hamm, Assistenzprofessor für Neurowissenschaften an der Georgia State University, und Kollegen an der University of Otago in Neuseeland, der Augusta University und der Auburn University. Die Forschung wurde vom National Institute of Neurological Disorders and Stroke unterstützt.