Gli studi di Amaral62 hanno mostrato che la formazione dell'ippocampo è un circuito cerebrale costituito da subregioni separate ma interconnesse. È di vitale importanza per le funzioni della memoria, come mostrato da Squire e collaboratori63, ed è colpito dal processo di invecchiamento, come mostrato da Erickson e collaboratori64. Il giro dentato è la sola subregione dell'ippocampo dove avviene la neurogenesi nel cervello adulto, come mostrato da Altman65, Kaplan66, Eriksson67.
Ciononostante, a causa del fatto che la neurogenesi può essere valutata solo nel tessuto postmortem, il suo significato funzionale resta indeterminato. Pereira e collaboratori68 hanno esplorato diversi approcci di imaging applicabili ai roditori e nell'uomo che potrebbero fornire una correlazione in vivo della neurogenesi. La tomografia ad emissione di positroni soffre di una risoluzione intrinsecamente povera e non può visualizzare il giro dentato. Inoltre, il radio marcamento delle cellule neonate presenta potenziali problemi di sicurezza. Per queste ragioni, gli Autori hanno utilizzato tecnologie di risonanza magnetica.
In particolare, Palmer69 e Louissaint70 hanno stabilito un accoppiamento tra neurogenesi e angiogenesi. Il processo di angiogenesi, a sua volta, dà luogo a poco a poco alla formazione di nuovi vasi sanguigni, aumentando la densità micro vascolare regionale, come mostrato da Carmeliet71, Risau72, McDonald73, D'Amore74.
È importante sottolineare che la densità vascolare può essere misurata in vivo con le tecniche di imaging che mappano il volume del sangue in quella regione. Numerosi studi, ad esempio Mayr e collaboratori75, Taylor e collaboratori76, Bremer e collaboratori77, Kerwin e collaboratori78, van Dijkee collaboratori79, hanno stabilito un rapporto stretto tra l'angiogenesi e volume di sangue regionale, anche nel cervello dove l'angiogenesi regionale è accoppiato a quello al volume ematico cerebrale regionale (CBV).Poiché il volume ematico cerebrale (CBV) può essere misurato con la risonanza, è stato ipotizzato che un aumento regionale selettivo del CBV dell'ippocampo potrebbe fornire un imaging correlato della neurogenesi. Questa ipotesi è stata testata in topi in cui le immagini in vivo e l'analisi postmortem possono essere eseguite sugli stessi soggetti.
È stato utilizzato un approccio con risonanza magnetica (MRI) in grado di generare mappe del CBV ippocampale ripetutamente e in modo sicuro nel tempo nei topi e contemporaneamente valutare più subregioni ippocampali, come mostrato da Moreno e collaboratori80. Sono state usate le potenzialità di questo approccio per stabilire in che modo cambiano le mappe del CBV ippocampale durante l'esercizio fisico, un potente stimolante della neurogenesi del giro dentato, van Praag e collaboratori81, e verificato se i cambiamenti del CBV sono correlate con le misure postmortem della neurogenesi. Una volta che questi risultati sono stati stabiliti nei topi, gli Autori hanno determinato come l'esercizio influenza le mappe del CBV ippocampale degli esseri umani.
Per raggiungere questo obiettivo, è stato prima ottimizzato un approccio MRI, già descritto da Lin e collaboratori82, che in precedenza aveva mostrato di essere in grado di generare mappe del CBV ippocampale in primati non umani da Small e collaboratori83. Sono poi stati tracciati i cambiamenti del CBV indotti dall'esercizio fisico nella formazione dell'ippocampo umano. I risultati hanno mostrato che l'esercizio fisico ha un effetto primario sul CBV del giro dentato, l'unica parte dell'ippocampo che produce neurogenesi adulta.
Inoltre, l'incremento del CBV nel giro dentato indotto dall'esercizio è stato confermato dalle misurazioni postmortem del conteggio dei nuovi neuroni. L'esercizio aumenta selettivamente il CBV del giro dentato nei topi e si correla con la neurogenesi. La germinazione di nuovi vasi sanguigni indotta dall'angiogenesi procede attraverso diverse fasi, formandosi gradualmente nel tempo, come mostrato da Carmeliet71. I topi hanno effettuato attività fisica sulle ruote da corsa in gabbia per 2 settimane, e, durante la seconda settimana, quotidianamente, è stata iniettata la bromodeossiuridina (BrdU), un marker per le cellule appena nate. Per trovare il predetto effetto ritardato nel CBV, i topi sono stati tenuti in vita per 4 settimane, poi sacrificati per procedere alla marcatura della BrdU.
Le mappe del CBV ippocampale della corteccia entorinale, del giro dentato, e dei sottocampi CA1 e CA3 sono state valutate quattro volte durante le 6 settimane di sperimentazione: al livello basale del pre-esercizio e alle settimane 2, 4, e 6. Il gruppo di controllo ha seguito il protocollo identico, ma senza esercizio ed è stato testato in parallelo. I dati sono stati analizzati con l'analisi della varianza (ANOVA).
Un gruppo di interazioni nel tempo è stato trovato solo per il giro dentato, dimostrando che l'esercizio fisico era associato ad una aumento selettivo del CBV del giro dentato (F=5.0, p=0,034).
Come dimostrato dal confronto delle misurazioni, l'effetto massimo è emerso due settimane dopo la cessazione dell'esercizio, dalla settimana 2 alla settimana 4 (F=5.9, p=0,021) . La corteccia entorinale è stata la sola subregione ippocampale in cui il CBV è aumentato in misura sensibile nel corso del tempo, anche se non raggiungendo la significanza statistica.
Anche se l'esercizio potrebbe potenzialmente influenzare il CBV aumentando il metabolismo e il flusso di sangue cerebrale, studi precedenti di Vissing e collaboratori84, Ide e collaboratori85, hanno dimostrato che i cambiamenti indotti dall'esercizio nel metabolismo dovrebbero manifestarsi durante e non dopo, il regime di esercizio. Così, il profilo spazio-temporale osservato con il quale il CBV emerso si adatta meglio ad un modello di angiogenesi indotta dall'esercizio nel giro dentato. In accordo con precedenti studi di van Praag e collaboratori81, il gruppo sottoposto ad esercizio è stato trovato ad avere una maggiore marcatura BrdU rispetto al gruppo sedentario (F=9.8, p=0,004).
Oltre il 90% dei neuroni sono stati marcati sia con BrdU che con NeuN, un marcatore specifico per i neuroni. Per esaminare il rapporto tra neurogenesi e il CBV, il modello di misure ripetute è stato nuovamente utilizzato e BrdU compreso come covariato. Una significativa interazione con BrdU è stata osservata solo nel CBV del giro dentato (F=3.3, p=0,039), guidata principalmente dai cambiamenti dalla settimana 2 alla settimana 4 (F=8.8, p=0.006). Come dimostrato da una analisi diretta, l'effetto positivo riflette una correlazione tra BrdU e cambiamenti di CBV dalla settimana 2 alla settimana 4 (beta=0,58, p=0,001).
Degno di nota, quando BrdU è stato incluso come covariata nell'ANOVA, il gruppo di effetti osservati nel tempo nel giro dentato non era più significativo, a conferma che la neurogenesi rappresentava l'effetto dell'esercizio sulla CBV.
Il controllo del rapporto tra cambiamenti CBV e BrdU nel giro dentato (Fig. 20) ha suggerito che un modello di regressione quadratica è migliore di un modello lineare, caratterizza meglio il rapporto (R2=0,59, p<0,0001). L'associazione tra i cambiamenti del CBV e BrdU del giro dentato è principalmente evidente quando il CBV aumenta con l'esercizio.
Infine, per verificare se la neurogenesi è stata ottenuta dagli aumenti osservati nel CBV del giro dentato, è stato utilizzato un protocollo che prevedeva l'irradiazione con raggi X. Quest'ultima blocca selettivamente la neurogenesi del giro dentato, Santarelli e collaboratori86.
Quattro topi hanno ricevuto l'irradiazione, e tre topi sono stati i controlli. Dopo un periodo di recupero di 3 mesi, tutti i topi sono stati testati con imaging utilizzando il protocollo di esercizio. L' ANOVA ha rivelato un gruppo di interazione nel tempo solo per il giro dentato (F=7,6, p=0,04), mostrando che l'irradiazione ha bloccato gli aumenti indotti dall'esercizio nel CBV.