Исследователи из Технологического института Стивенса показывают, что напряжение стенок желудочков объясняет, где в стареющем мозге развиваются поражения.
По мере того как наш мозг стареет, в пучках белого вещества начинают появляться небольшие очаги, по которым передаются сообщения между нашими нейронами. Поражения могут повредить это белое вещество и привести к когнитивным нарушениям.
Теперь исследователи из Технологического института Стивенса и их коллеги не только объясняют местонахождение этих поражений, но и объясняют, как они развиваются в первую очередь.
Поражения (красные) возникают рядом с участками, которые должны больше растягиваться, чтобы приспособиться к изменениям давления циркулирующей спинномозговой жидкости. Когда стенки желудочка, заполненного спинномозговой жидкостью (черный), истончаются, спинномозговая жидкость просачивается в ткань головного мозга (серый цвет) и создает очаги поражения. Предоставлено: Технологический институт Стивенса.
Работа, возглавляемая Йоханнесом Вайкенмайером, доцентом кафедры машиностроения в Стивенсе, подчеркивает важность рассмотрения мозга как нечто большее, чем нейронная цепь, которая лежит в основе того, как формируются мысли и создаются воспоминания. Это также физический объект, подверженный сбоям и механическим сбоям. «Мозг подвержен износу в уязвимых областях», — сказал Вайкенмайер. «Особенно в стареющем мозге нам необходимо изучить его биомеханические свойства, чтобы лучше понять, как что-то может пойти не так».
Эти поражения, известные как глубокие и перивентрикулярные гиперинтенсивности белого вещества, потому что они проявляются в виде ярких белых пятен на снимках МРТ, плохо изучены. Но они не редкость: у большинства людей они есть к 60 годам, и с возрастом изменения только усиливаются. Чем больше поражений накапливается и чем быстрее они растут, тем более подвержены когнитивным нарушениям, начиная от проблем с памятью и заканчивая двигательными расстройствами.
Исследование мозга у здоровых людей
Используя МРТ восьми здоровых людей, Вайкенмайер работал с Валери Виссер, сейчас докторантом Цюрихского университета, и Генри Русинеком, радиологом из Медицинской школы им.
- Гроссмана при Нью-Йоркском университете, над созданием индивидуализированной компьютерной модели мозга каждого из них.
- Команда нанесла на карту напряжение, оказываемое на стенки желудочков, облицовку заполненных жидкостью камер глубоко в головном мозге, как волны пульса давления в спинномозговой жидкости пациента или спинномозговой жидкости.
- Они обнаружили, что гиперинтенсивность, как правило, возникает рядом с областями, которые должны больше растягиваться, чтобы приспособиться к изменениям давления циркулирующей спинномозговой жидкости, потому что по мере истощения таких участков спинномозговая жидкость может просачиваться в мозг и вызывать поражения.
«Клеточная стенка, выстилающая желудочки, со временем изнашивается, как воздушный шар, который постоянно надувается и сдувается», — сказал Вайкенмайер. «И напряжения не одинаковы — они определяются геометрией желудочка, поэтому мы можем предсказать, где эти сбои произойдут».
Модель обеспечивает простое, основанное на физике объяснение расположения этих повреждений, показывая, что механические нагрузки «должны быть основным фактором возникновения болезни», — сказал Вайкенмайер.
В исследовании группы, опубликованном недавно в Scientific Reports, использовались 2D-изображения, показывающие поперечное сечение мозга, но с тех пор команда Вайкенмайера расширила свои исследования до полной 3D-модели мозга. Затем Вайкенмайер надеется использовать передовые технологии МРТ, разработанные в Стивенсе, для непосредственного изучения движения стенки желудочка.
Йоханнес Вайкенмайер в экспериментальной и вычислительной лаборатории биомеханики мягкой материи Технологического института Стивенса. Предоставлено: Технологический институт Стивенса.
Лечения поражений мозга
В долгосрочной перспективе выводы команды могут позволить разработать новые методы лечения поражений. Обычно фармацевтические препараты с трудом преодолевают гематоэнцефалический барьер и достигают пораженных участков, но новое исследование предполагает, что можно направлять лекарства к поражениям напрямую через утечки в стенке желудочка. «До этого еще далеко, и мы не изучали это напрямую», — предупредил Вайкенмайер. «Но это интригующая возможность».
Более широкий вывод из исследования команды, объяснил Вайкенмайер, заключается в том, что процесс старения мозга опосредуется физическими процессами, включая давление циркулирующей крови и спинномозговой жидкости. Это подчеркивает необходимость здорового образа жизни, например, достаточного количества упражнений и отказа от вредных веществ, которые могут снизить нагрузку на мозг.