Frontiers in Neuroscienze

Il ruolo del RVLM nella regolazione della pressione sanguigna

Dagli studi classici sugli animali decerebrati, è stato a lungo noto che il controllo della pressione sanguigna richiede un tronco cerebrale intatto, in particolare il midollo allungato; La sezione del midollo spinale immediatamente sotto il midollo porta a una caduta precipitosa della pressione sanguigna, mentre la sezione del tronco cerebrale alla giunzione pontomedullare non lo fa. Il mantenimento della pressione sanguigna entro un intervallo relativamente ristretto dipende dall’integrità di un semplice arco riflesso, il baroreflex. I barorecettori – meccanorecettori situati all’interno del seno carotideo e dell’arco aortico che sono sensibili alla distensione radiale della parete arteriosa e quindi alla pressione intraluminale – rilevano le fluttuazioni pulsatili della pressione sanguigna e, attraverso i nervi glossofaringeo e vago, inviano proiezioni sinaptiche eccitatorie al nucleo sensoriale viscerale primario, il nucleo del tratto solitario (NTS). I neuroni di secondo ordine all’interno del NTS inviano poi proiezioni eccitatorie ai neuroni del midollo ventrolaterale caudale (CVLM), che esercita un controllo inibitorio tonico del midollo ventrolaterale rostrale (RVLM) (Dampney et al., 2003a, b; Guyenet, 2006). È noto che il RVLM svolge un ruolo critico nel mantenimento dei livelli assoluti di pressione sanguigna, oltre ad essere essenziale per il controllo beat-to-beat della pressione sanguigna: quasi tutti i neuroni vasocostrittori simpatici hanno origine nel RVLM e lesioni elettrolitiche del RVLM risultano in cadute precipitose della pressione sanguigna (Kumada et al., 1979; Dampney e Moon, 1980). Tuttavia, ci sono prove che suggeriscono che questa visione del RVLM essere fondamentale per il mantenimento della pressione sanguigna non è corretto. Recentemente, Wenker et al. (2017) hanno dimostrato che l’inibizione indotta dal laser dei neuroni RVLM che esprimono l’arcerodopsina non è riuscita a far scendere significativamente la pressione sanguigna nei ratti coscienti. Tuttavia, gli autori riconoscono che poco più del 50% dei neuroni ha espresso l’arcaerodopsina, quindi è possibile che l’inibizione inadeguata è stata prodotta durante la stimolazione laser.

Dato che il RVLM è il primario (anche se non esclusivo) nucleo di uscita per l’impulso vasocostrittore simpatico al muscolo, splancnico, e letti vascolari renali (Dampney e McAllen, 1988; McAllen et al, 1995), e quindi gioca un ruolo importante nella regolazione continua delle resistenze periferiche totali e della pressione sanguigna, la misurazione dell’attività dei nervi vasocostrittori simpatici in periferia può essere utilizzata per dedurre lo stato di attività del RVLM, così come altri nuclei con neuroni a proiezione spinale – come il nucleo paraventricolare dell’ipotalamo (PVN), che invia proiezioni dirette al midollo spinale così come al RVLM (Shafton et al., 1998; Pyner e Coote, 2000). Tuttavia, dato che i neuroni PVN spinalmente proiezione non rispondono a input barorecettore nel coniglio cosciente (Dampney et al., 2003b) è probabile che questo nucleo contribuisca poco all’impulso vasocostrittore a riposo ai letti vascolari coinvolti nella regolazione della resistenza periferica totale, come quelli nel muscolo scheletrico.

Il flusso simpatico in uscita al letto vascolare muscolare può essere registrato direttamente negli esseri umani tramite un microelettrodo di tungsteno inserito per via percutanea in un nervo periferico accessibile, una tecnica invasiva nota come microneurografia. L’attività del nervo simpatico muscolare (MSNA) si presenta come scoppi spontanei che mostrano un forte accoppiamento temporale al battito cardiaco; gli scoppi si verificano negli intervalli tra i battiti cardiaci, con intervalli cardiaci più lunghi associati a pressioni diastoliche più basse e una maggiore incidenza e ampiezza degli scoppi di MSNA (Macefield, 2013). Anche se non vi è alcuna associazione tra MSNA a riposo e la pressione sanguigna negli esseri umani normotesi (Joyner et al., 2010), è ben noto che MSNA elevato contribuisce allo sviluppo di ipertensione neurogenica (Wallin et al., 1973; Grassi et al., 1998; Schlaich et al, 2004).

Identificazione funzionale del RVLM umano utilizzando MSNA-accoppiato fMRI

Quasi 10 anni fa abbiamo pubblicato il nostro primo articolo (Macefield e Henderson, 2010) su MSNA-accoppiato risonanza magnetica funzionale (fMRI), in cui abbiamo combinato registrazioni dirette di MSNA con fMRI del tronco cerebrale. Il nostro approccio, in cui le fluttuazioni nell’incidenza e nell’ampiezza dei burst spontanei di MSNA registrati in periferia sono usati per identificare le fluttuazioni covarianti nell’intensità del segnale BOLD (dipendente dal livello di ossigeno nel sangue), è stato usato per identificare i singoli nuclei nel tronco encefalico responsabili della generazione del segnale. In altre parole, la registrazione del segnale di uscita allo stesso tempo come imaging del cervello ci ha permesso di identificare la fonte centrale del segnale di uscita. Date le difficoltà tecniche di registrare piccoli segnali nervosi in un grande campo magnetico (3 Tesla, e ora stiamo facendo questo a 7T), questo non era mai stato tentato prima. I dettagli della nostra metodologia possono essere trovati altrove (Macefield e Henderson, 2010, 2016, 2019), ma brevemente scoppi spontanei di MSNA sono stati registrati tramite un microelettrodo di tungsteno inserito per via percutanea in un fascicolo muscolare del nervo peroneo comune destro in partecipanti supini, e l’attività neurale amplificato, filtrato (2 × 104, 0.3-5.0 kHz; NeuroAmpEx, ADInstruments, Sydney, NSW, Australia) e campionato su computer a 10 kHz (PowerLab 16S e LabChart 7 software, ADInstruments). La testa è stata racchiusa in una bobina testa 32 canali SENSE e un protocollo di campionamento sparse gradiente-gradiente eco è stato eseguito: 200 volumi (TR = 8 s, TE = 4 s, flip angle = 90 °, dimensione del voxel grezzo = 1.5 × 1.5 × 2.75 mm) sono stati acquisiti oltre 27 min, ogni volume composto da 46 fette assiali raccolti in una direzione caudale a rostrale e si estende dalla parte superiore del midollo spinale cervicale al vertice. Ogni periodo 8 s TR era composto da un iniziale 4 s “ON” fase durante la quale l’intero volume fMRI è stato raccolto, seguita da un non-scansione “OFF” fase di 4 s, in cui sono stati misurati burst di MSNA in ciascuno dei quattro 1-s epoche. Intensità del segnale BOLD (SPM12, non corretto p < 0.001) è stato misurato in ciascuna delle quattro 1-s epoche nel successivo periodo di 4-s per tenere conto del ∼1 s richiesto per l’arrivo del volley simpatico al sito di registrazione periferica (Fagius e Wallin, 1980) e il ∼5 s ritardo emodinamico tra l’attività neuronale e la generazione del segnale BOLD (Logothetis et al., 2001). È importante notare che non usiamo un approccio per regioni di interesse: piuttosto, le aree del cervello vengono identificate come coinvolte nella regolazione del MSNA perché le fluttuazioni spontanee nell’intensità del segnale BOLD covariano con le fluttuazioni spontanee nell’ampiezza dei burst del segnale MSNA. In altre parole, queste aree “spuntavano” a causa del loro accoppiamento temporale ai burst di MSNA.

La figura 1A mostra un aumento bilaterale dell’intensità del segnale BOLD nel midollo allungato durante tre serie di prese di respiro massimale inspiratorio – una manovra che causa un aumento sostenuto di MSNA – in 15 partecipanti (Macefield et al., 2006). Noi crediamo che questi cluster rappresentano l’omologo umano del RVLM: il RVLM umano non si trova nella parte ventrolaterale del midollo, dove è stato identificato nel coniglio, ma nella parte dorsolaterale del midollo (Figura 1B). Questo perché il RVLM umano, identificato come tale a causa della sua alta densità di recettori dell’angiotensina II tipo IA (AT1AR), è spostato dalle grandi olive inferiori negli esseri umani (Allen et al., 1998). In Figura 1C mostriamo per un partecipante aumenti bilaterali in MSNA-accoppiato intensità del segnale BOLD in queste stesse aree: si può vedere che il segnale BOLD e MSNA segnale covariare nel tempo, mostrato per un campione di 30 s per questo stesso partecipante in Figura 1D.

La figura 2 mostra i dati medi di otto partecipanti. MSNA-accoppiato intensità del segnale era alta in RVLM, ma bassa nelle regioni corrispondenti a NTS e CVLM. Questo ha senso, dato che scoppi spontanei di MSNA si verificano solo quando la pressione sanguigna diastolica è bassa e quindi l’input eccitatorio per NTS dai barocettori arteriosi è anche basso. E, poiché NTS invia una proiezione eccitatoria al CVLM, l’intensità del segnale BOLD in questo nucleo è anche basso. Il contrario si verifica quando scoppi di MSNA sono assenti quando la pressione diastolica è alta. Come tali, questi risultati dimostrano l’esistenza nell’uomo del circuito baroreflex seriale NTS-CVLM-RVLM identificato negli animali da esperimento di cui sopra (Macefield e Henderson, 2010). Si può anche vedere che c’è un sito unilaterale (a sinistra) caudale midollare in cui l’intensità del segnale BOLD è alta quando si verificano esplosioni di MSNA: suggeriamo che questo cluster corrisponde alla zona caudale pressorio (CPA), una zona nota per inviare proiezioni eccitatorie per RVLM (Dampney et al., 2003a, b).

Abbiamo anche usato MSNA-accoppiato fMRI per identificare le strutture sopra il tronco encefalico. Come mostrato nella Figura 3, l’intensità del segnale MSNA-accoppiato era alta in una serie di regioni discrete, tra cui l’insula sinistra, la corteccia prefrontale dorsolaterale sinistra e destra (dlPFC), la corteccia cingolata posteriore (PCC) e il precuneo. C’era anche una significativa intensità del segnale MSNA-accoppiato nell’ipotalamo dorsomediale sinistro (DMH) e sia l’ipotalamo ventromediale sinistro e destro (VMH). Né DMH né VMH inviare proiezioni dirette al midollo spinale, con DMH influenzando flusso simpatico attraverso RVLM (DiMicco et al., 2002; Horiuchi et al., 2004; Wang et al., 2010) e VMH agendo attraverso DMH, midbrain periaqueductal gray (PAG), nucleo parabrachiale, e NTS (ter Horst e Luiten, 1986; Canteras et al., 1994; Jansen et al., 1995). Si noti, tuttavia, che non c’era alcun segnale nel PVN che – come notato sopra – è l’unico nucleo ipotalamico noto per inviare proiezioni dirette al midollo spinale in parallelo a quelle al RVLM (Shafton et al., 1998; Pyner e Coote, 2000).

Oltre a queste aree di essere funzionalmente accoppiato a scoppi di MSNA, come mostrato nella Figura 4 analisi della connettività ha rivelato che il RVLM è funzionalmente accoppiato alla insula anteriore, PCC, precuneus, VMH e DMH, PAG, e dorsolaterale pons (dlPons). Ciò significa che ciascuna di queste aree sono tutte funzionalmente accoppiate alla generazione di scoppi spontanei di MSNA e quindi sono probabilmente coinvolti nella generazione di, e / o la regolazione di, MSNA a riposo. Siamo stati sorpresi di trovare che i cambiamenti di intensità del segnale in alcune aree – tra cui NTS, CVLM, CPA, DMH, e insula – non erano simmetrici, anche se i cambiamenti in RVLM, VMH, dlPFC, PCC, e precuneus erano bilaterali. Abbiamo sempre registrato MSNA dal nervo peroneo comune destro, ma dato che sia l’incidenza e l’ampiezza dei burst di MSNA diretto alle gambe destra e sinistra sono simmetrici, come dimostrato durante le registrazioni bilaterali di MSNA (Sundlof e Wallin, 1977; El Sayed et al., 2012), qualsiasi tentativo di spiegare queste differenze lato a lato sarebbe puramente speculativo. Indirizziamo il lettore alla nostra recente recensione in cui consideriamo il significato funzionale del connettoma simpatico che abbiamo identificato (Macefield e Henderson, 2019).

Cambiamenti nell’intensità del segnale BOLD accoppiato al MSNA durante gli aumenti fisiologici del MSNA

Avevamo già dimostrato che l’intensità del segnale BOLD aumenta nel RVLM durante una pausa inspiratoria massima del respiro (vedi Figura 1A) mentre l’intensità del segnale in NTS e CVLM scende (Macefield et al., 2006), e hanno dimostrato che l’intensità del segnale aumenta in entrambi NTS e RVLM durante l’attivazione dei metaborecettori inducendo 6 min di ischemia post-esercizio dopo 4 min di esercizio statico handgrip (Sander et al., 2010). Studi precedenti avevano anche dimostrato che l’intensità del segnale BOLD è aumentato nel midollo allungato e dorsale pons durante una manovra di Valsalva (Harper et al., 2000; Henderson et al., 2002), con aumenti di intensità del segnale in NTS e il nucleo parabrachiale (a cui progetti NTS) essere segnalati durante uno sforzo inspiratorio massimo, esercizio isometrico maniglie e la manovra di Valsalva (Topolovec et al., 2004). Tuttavia, in nessuno di questi studi era stato registrato il MSNA allo stesso tempo.

Di recente abbiamo esaminato i cambiamenti funzionali nel cervello durante il dolore muscolare sperimentale, indotto da un’infusione di 40 minuti di soluzione salina ipertonica in un muscolo della gamba, che provoca un aumento sostenuto del MSNA in alcuni partecipanti ma una diminuzione sostenuta in altri; il modello è riproducibile in un dato individuo e abbiamo recentemente dimostrato che coloro in cui il MSNA è aumentato durante il dolore muscolare tonico hanno esibito aumenti di intensità del segnale BOLD in diverse aree (Kobuch et al, 2017, 2018), tra cui l’insula anteriore e la corteccia prefrontale mediale anteriore (mPFC) a sinistra, e la dlPFC e la corteccia cingolata anteriore (ACC) a destra, mentre l’intensità del segnale è diminuita nella mPFC e nella dlPFC a sinistra (Figura 5). Abbiamo anche visto un aumento dell’intensità del segnale nella DMH sinistra, che si adatta al ruolo di questo nucleo nella generazione di risposte autonomiche allo stress (DiMicco et al., 2002; Fontes et al., 2017). Un’analisi specifica del tronco encefalico ha anche mostrato risposte differenziali, con aumenti di intensità del segnale BOLD in RVLM e dlPons, così come NTS (non mostrato), nel gruppo che mostra un aumento di MSNA, mentre l’attività nel PAG del mesencefalo ha mostrato un aumento sostenuto solo nel gruppo in cui MSNA è sceso (Figura 6).

Perché MSNA è stato registrato allo stesso tempo come abbiamo scansionato il cervello abbiamo potuto poi correlare l’intensità del segnale BOLD ai cambiamenti provocati dal dolore in ampiezza di MSNA. A riposo, l’intensità del segnale BOLD era fortemente accoppiato a scoppi di MSNA nel RVLM, insula, dlPFC, PCC, e precuneus, e diminuito nella regione del midbrain PAG. Durante il dolore, l’intensità del segnale BOLD accoppiato all’MSNA era significativamente più alta nella regione dell’NTS e della PAG ventrolaterale a destra, nella dlPFC e nell’ACC a destra, e nell’insula e nella mPFC a sinistra; al contrario, l’intensità del segnale accoppiato all’MSNA diminuiva durante il dolore in parti della dlPFC e della mPFC sinistra (Kobuch et al., 2018). I dati medi, che mostrano le correlazioni tra il cambiamento nell’intensità del segnale BOLD e il cambiamento nell’ampiezza dei burst MSNA, da 37 partecipanti sono illustrati nella Figura 7. Questi risultati indicano che diverse aree del cervello sono impegnate in modo burst-to-burst, con le grandezze di questi cambiamenti nell’intensità del segnale che sono correlati al cambiamento complessivo dell’ampiezza del MSNA durante il dolore muscolare tonico (Kobuch et al., 2018). È interessante notare che alcune importanti regioni cerebrali non hanno mostrato cambiamenti legati al dolore. Per esempio, mentre avevamo trovato che il RVLM e il precuneus mostravano un forte accoppiamento al MSNA a riposo, durante il dolore muscolare tonico nessuna di queste regioni mostrava cambiamenti nell’intensità del segnale in funzione dell’intensità del burst MSNA. Tuttavia, come notato in precedenza, entrambe queste regioni hanno mostrato aumenti sostenuti dell’intensità del segnale nel gruppo MSNA crescente e diminuzioni nel gruppo MSNA decrescente, suggerendo che sia il RVLM che il precuneo possono fornire un ruolo modulatorio tonico piuttosto che cambiare in una moda burst-to-burst durante il dolore muscolare (Kobuch et al., 2018).

Changes in MSNA-Coupled Bold Signal Intensity During Pathophysiological Increases in MSNA

I pazienti con apnea ostruttiva del sonno (OSA) hanno MSNA marcatamente elevato a riposo, a causa degli episodi ripetitivi di ipossiemia notturna associati al collasso delle vie aeree superiori, che porta a ipertensione neurogenica. Questo è quindi un modello fisiopatologico di MSNA elevato. Come mostrato nella Figura 8, l’intensità del segnale BOLD accoppiato all’MSNA era più alto nell’OSA che nei controlli nelle seguenti aree: dlPFC e mPFC bilateralmente, precuneo dorsale, ACC, corteccia retrospleniale (RSC), e nucleo caudato (Fatouleh et al., 2014). Questi dati suggeriscono che il MSNA elevato può essere guidato da cambiamenti nelle regioni corticali superiori, forse attraverso influenze sui nuclei del tronco encefalico.

Infatti, come mostrato nella Figura 9, la scansione ad alta risoluzione del tronco cerebrale ha rivelato l’accoppiamento significativo tra scoppi spontanei di MSNA e intensità del segnale BOLD in un certo numero di regioni del tronco cerebrale, tra cui il raphé midollare, RVLM, dlPons, e mesencefalo, e significativi aumenti di volume della materia grigia nelle stesse aree (Lundblad et al., 2014). Anche se diversi meccanismi possono portare a questo aumento del volume della materia grigia, è possibile che questi cambiamenti siano portati dall’attivazione astrocitaria e dalla modulazione dell’attività sinaptica attraverso un’alterata gliotrasmissione. Infatti, è stato riportato che l’ipossia cronica intermittente è associata all’attivazione degli astrociti in regioni corticali come l’ippocampo (Aviles-Reyes et al., 2010). È possibile che ripetuti eventi ipossici in qualche modo evocare l’attivazione degli astrociti nel raphe, dlPons e il RVLM che è coerente con l’aumento della densità della materia grigia. Curiosamente, nonostante questo aumento del volume della materia grigia, l’intensità del segnale BOLD accoppiato all’MSNA era in realtà inferiore in OSA rispetto ai controlli, come mostrato nella Figura 9. È possibile che una ridotta spinta inibitoria tonica sui neuroni premotori simpatici ventrolaterali midollari rostrali da parte del dlPons e del rafe midollare porti all’aumento del MSNA a riposo nell’OSA. Dato che si ritiene che il segnale BOLD rifletta i processi sinaptici energia-dipendenti (Logothetis et al., 2001), una riduzione dell’intensità del segnale all’interno del RVLM, nonostante un aumento dell’output da questo nucleo (MSNA era più alto), può riflettere una riduzione dell’inibizione attiva sul RVLM. L’attivazione degli astrociti potrebbe quindi alterare le dinamiche sinaptiche attraverso il rilascio di gliotrasmettitori come il glutammato, ATP o anche GABA (Halassa et al., 2007; Ben Achour e Pascual, 2012). Indipendentemente dai meccanismi sottostanti, i nostri dati mostrano che ci sono cambiamenti nel cervello che possono essere responsabili dell’aumento del MSNA e della pressione sanguigna nell’OSA. In altre parole, i cambiamenti patofisiologici nel cervello portano a una delle caratteristiche cliniche dell’OSA – l’ipertensione. Se questo fosse vero, potremmo aspettarci che il trattamento della condizione invertisse questi cambiamenti. Infatti, abbiamo dimostrato che 6 mesi di pressione positiva continua delle vie aeree (CPAP), che ha prodotto un calo significativo di MSNA, ha causato l’inversione dei cambiamenti funzionali visti in OSA (Fatouleh et al., 2015; Lundblad et al., 2015).

Conclusione

La fMRI accoppiata all’attività del nervo muscolo-simpatico ci ha permesso di identificare funzionalmente il RVLM umano e ha dimostrato che la sua attività continua è accoppiata a diverse strutture corticali e sottocorticali a riposo. Inoltre, la forza di questo accoppiamento può essere modificata da processi fisiologici o fisiopatologici che portano ad aumenti di MSNA. Mentre gli aumenti fisiologici di MSNA possono portare ad un aumento dell’intensità del segnale BOLD del RVLM, nell’aumento fisiopatologico di MSNA visto in OSA sembrerebbe che il segnale BOLD va giù, che noi interpretiamo come dovuto ad una riduzione dell’inibizione in corso. Infatti, suggeriamo che l’output del RVLM umano a riposo è tenuto sotto controllo dall’inibizione attiva, il cui ritiro può portare ad aumenti del MSNA e della pressione sanguigna. Naturalmente, non possiamo escludere la possibilità che altre aree del tronco encefalico o ipotalamiche contribuiscano agli aumenti fisiologici o fisiopatologici di MSNA, ma il fatto che stiamo vedendo cambiamenti significativi in RVLM, che riceve input da molte altre aree del tronco encefalico e ipotalamiche, ci porta a concludere che molto di ciò che vediamo è effettivamente dovuto a cambiamenti all’interno di RVLM.

Contributi degli autori

Questo manoscritto è una revisione del lavoro di collaborazione degli autori sulla tecnica di MSNA-accoppiato fMRI. VM ha scritto la bozza della revisione, con contributi di LH.

Finanziamento

Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni del National Health and Medical Research Council of Australia (GTN1007557, GTN1100038, e GTN1100042).

Conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di qualsiasi relazione commerciale o finanziaria che potrebbe essere interpretata come un potenziale conflitto di interessi.

Riconoscimenti

Siamo grati ai contributi del Dr. Cheree James, Dr. Rania Fatouleh, Dr. Linda Lundblad, e Dr. Sophie Kobuch per l’acquisizione e l’analisi dei dati qui riportati.