Гидравлический мозг: движение тела связано с движением жидкости в головном мозге

Фото из открытых источников

Ученые в журнале Nature Neuroscience сообщают, что мозг механически связан с телом гораздо сильнее, чем считалось ранее. В ходе исследования с использованием мышей и симуляций команда обнаружила потенциальный биологический механизм, объясняющий, почему физические упражнения, как считается, полезны для здоровья мозга: сокращения мышц живота сжимают кровеносные сосуды, связанные со спинным мозгом и головным мозгом, позволяя органу мягко двигаться внутри черепа. Это покачивание способствует притоку спинномозговой жидкости к головному мозгу, потенциально смывая отходы нервной ткани, которые могут вызывать проблемы с его функционированием.

По словам Патрика Дрю, профессора инженерных наук и механики, нейрохирургии, биологии и биомедицинской инженерии в Университете штата Пенсильвания, эта работа основывается на предыдущих исследованиях, подробно описывающих, как сон и потеря нейронов могут влиять на то, как и когда спинномозговая жидкость циркулирует в головном мозге.

«Наше исследование объясняет, как простое движение может служить важным физиологическим механизмом, способствующим здоровью мозга», — сказал Дрю, ведущий автор статьи. «В этом исследовании мы обнаружили, что при сокращении мышц живота они проталкивают кровь из брюшной полости в спинной мозг, подобно гидравлической системе, оказывая давление на мозг и заставляя его двигаться. Моделирование показывает, что это легкое движение мозга будет способствовать притоку жидкости в мозг и вокруг него. Считается, что движение жидкости в мозге важно для удаления отходов и предотвращения нейродегенеративных заболеваний. Наше исследование показывает, что даже небольшое движение полезно, и это может быть еще одной причиной, почему физические упражнения полезны для здоровья нашего мозга».

Дрю объяснил, как в гидравлической системе насос создает давление, которое приводит в движение поток жидкости. В данном случае насосом является сокращение мышц живота, которое может быть таким легким, как напряжение перед тем, как сесть или сделать шаг. Это сокращение оказывает давление на позвоночное венозное сплетение, сеть вен, соединяющих брюшную полость со спинномозговой полостью, вызывая движение головного мозга.

Исследователи визуализировали этот процесс на движущихся мышах с помощью двух передовых технологий визуализации: двухфотонной микроскопии, позволяющей получать изображения живых тканей с высоким разрешением, и микрокомпьютерной томографии, обеспечивающей высокоточное трехмерное исследование целых органов. Они наблюдали смещение мозга за мгновения до движения мыши, а также сокращение брюшных мышц сразу после этого, необходимое для того, чтобы подтолкнуть тело к дальнейшему движению.

Чтобы подтвердить, что в качестве насоса действовали именно сокращения мышц живота, а не другие движения, исследователи применили мягкое и контролируемое давление на живот мышей, находящихся под легкой анестезией. При отсутствии каких-либо других движений, кроме локального механического давления, меньшего, чем то, которое испытывает человек при использовании манжеты для измерения артериального давления, мозг мышей сместился.

«Важно отметить, что мозг начал возвращаться в исходное положение сразу после снижения внутрибрюшного давления, — сказал Дрю. — Это говорит о том, что внутрибрюшное давление может быстро и значительно изменять положение мозга внутри черепа».

После подтверждения связи между сокращением мышц живота и движением мозга, Дрю сказал, что следующим шагом будет понимание движения жидкости в мозге и того, может ли движение мозга вызывать приток жидкости. Однако ранее не существовало методов визуализации, позволяющих наблюдать быструю и тонкую динамику таких потоков жидкости.

«К счастью, нашей междисциплинарной команде в Университете штата Пенсильвания удалось разработать эти методы, включая проведение экспериментов по визуализации живых мышей и создание компьютерных симуляций движения жидкости», — сказал Дрю. «Такое сочетание экспертных знаний крайне важно для понимания подобных сложных систем и того, как они влияют на здоровье».

Франческо Костанцо, профессор инженерных наук и механики, биомедицинской инженерии, машиностроения и математики, руководил компьютерным моделированием. «Моделирование потока жидкости в головном мозге и вокруг него представляет собой уникальную задачу, поскольку существуют как одновременные, независимые движения, так и зависящие от времени, взаимосвязанные движения. Учет всех этих движений требует учета особых физических процессов, происходящих каждый раз, когда частица жидкости пересекает одну из многочисленных мембран в головном мозге», — сказал Костанцо. «Поэтому мы упростили задачу. Мозг имеет структуру, похожую на губку, в том смысле, что у него есть мягкий скелет, и жидкость может перемещаться сквозь него».

Упростив геометрию мозга до формы губки, Костанцо объяснил, что команда смогла смоделировать, как жидкость течет через структуру с различными пространствами, такими как складки в мозге или поры в губке.

«В соответствии с идеей о мозге как о губке, мы также рассматривали его как грязную губку — как почистить грязную губку?» — спросил Костанцо. «Ее нужно промыть под краном и отжать. В наших симуляциях мы смогли понять, как движение мозга, вызванное сокращением мышц живота, может способствовать притоку жидкости к мозгу, помогая выводить продукты обмена веществ».

Дрю подчеркнул, что, хотя для полного понимания последствий для человека необходимы дополнительные исследования, данное исследование предполагает, что движения тела могут способствовать циркуляции спинномозговой жидкости в головном мозге и вокруг него, удаляя отходы и помогая защитить от нейродегенеративных заболеваний, связанных с накоплением отходов.

«Такие движения настолько незначительны. Они возникают при ходьбе или просто при сокращении мышц живота, что происходит при любой физической активности. Это может существенно повлиять на здоровье мозга», — сказал Дрю.