Ученые раскрыли, как мозг избавляется от отходов: работают два режима

Фото из открытых источников

Во время глубокого сна жидкость, похожая на воду, перемещается по мозгу и помогает удалять метаболические отходы, связанные с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера. Этот процесс очистки является частью глимфатической системы, впервые описанной в 2012 году Майкеном Недергаардом — новатором в области нейронауки и содиректором Центра трансляционной нейромедицины Университета Рочестера.

Учёные до сих пор не до конца понимают, как работает эта система, включая одну важную деталь: с какой скоростью жидкость движется вокруг и через мозг. Измерить такую медленную циркуляцию в живом мозге особенно сложно, поскольку исследователям нужны методы, позволяющие наблюдать процесс без необратимых повреждений.

Сложность измерения потока жидкости в мозге

«Вы можете приложить микроскоп к небольшому участку мозга и внимательно наблюдать, что там происходит, и мы уже работали с такими данными раньше, но это лишь небольшой обзор всего процесса», — говорит профессор Дуглас Келли из кафедры машиностроения Университета Университета. «Если вы хотите снимать целый мозг, МРТ — отличный подход, потому что оно даёт трёхмерный обзор. Но у МРТ есть серьёзные ограничения, самое главное из которых — он не фиксирует скорость течения жидкости, по крайней мере, при таких низких потоках.»

Чтобы преодолеть это ограничение, Келли и исследователи из URochester, Brown University и Университета Копенгагена использовали искусственный интеллект. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, команда описывает физико-ориентированный ИИ подход для расчёта скоростей потока жидкости на основе данных магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Исследователи обучали нейронные сети, используя видео, показывающие, как краситель распространяется по тканям мозга со временем. Анализируя движение красителя, ИИ мог оценить как скорость жидкости, так и проницаемость окружающей мозговой ткани.

Две очень разные скорости внутри мозга

Результаты выявили два основных пути, по которым глимфатическая система удаляет частицы из мозга, включая бета-амилоидные белки, связанные с болезнью Альцгеймера — и скорость этих путей значительно отличается.

В более открытых областях вокруг мозга, включая пространство у поверхности между черепом и мозгом, жидкость, похожая на воду, распространяется со скоростью несколько микрон в секунду. Однако глубже внутри мозговой ткани жидкость движется гораздо медленнее. Исследователи обнаружили, что этот более глубокий поток примерно в 50 раз медленнее.

В настоящее время команда использует животных, таких как мыши, чтобы определить исходные измерения того, как жидкость обычно проходит через мозг. Эти измерения помогают исследователям разрабатывать и совершенствовать инструменты ИИ. В конечном итоге они надеются сравнить паттерны кровообращения между здоровым и больным мозгом, а также между более молодым и старшим мозгом.