Живот может контролировать кровоток в головном мозге

Фото из открытых источников

У мышей сокращение брюшных мышц в течение десятой доли секунды сужало самые крупные вены черепа, кратковременно увеличивая приток крови к мозгу. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Вставая со стула или делая шаг, мышцы живота на мгновение напрягаются, прежде чем что-либо еще начнет двигаться. У мышей давление от этого сжатия передается по цепочке вен в череп. Примерно за десятую долю секунды самые крупные вены, отводящие кровь от мозга, сужаются, на короткое время увеличивая приток крови к тканям.

Кровообращение в головном мозге обычно объясняется изнутри наружу. Активный участок ткани посылает химический сигнал, питающие его артерии расширяются, и больше крови поступает туда, где происходит работа. Вены были медленной частью этого круга, и почти никто за ними не следил.

Цингуан Чжан и Патрик Дрю выявили второй контрольный показатель, связанный с мышцами ниже ребер. Дрю руководит лабораторией в Университете штата Пенсильвания, где он также является заместителем директора Института биологических наук Хака. Он сравнил кровообращение в организме с городским водоснабжением.

«Городская система водоснабжения должна быть способна удовлетворять различные потребности многоквартирного дома, частного дома или даже полностью заполненного стадиона в день матча», — сказал Дрю.

Внутри головного мозга эта функция в основном приписывается артериям и капиллярам — тонким сосудам, которые доставляют кислород к клеткам. И те, и другие окружены мышцами, которые могут сокращаться или расслабляться.

Вены содержат гораздо меньше мышечной ткани, поэтому исследователи рассматривали их в основном как дренажную систему.

Здесь расположены крупные вены. Верхний сагиттальный синус проходит от передней части головы к задней, и в него впадают соединительные вены. Почти вся кровь, отходящая от наружных отделов мозга, выходит через него.

Чжан провел микроскопическое исследование семи мышей через истонченный участок черепа при зеленом и синем свете, который чередовался достаточно быстро, чтобы отслеживать объем крови и ширину сосудов одновременно.

Каждое животное передвигалось по мячу, удерживаемому на месте. Тонкие проволочки в косых мышцах живота улавливали электрический сигнал сокращения. Когда мышь начинала ходить, артерии в ее сенсорной коре расширялись, как и предсказывали десятилетия исследований.

Крупные срединные вены вели себя противоположным образом. Более мелкие вены по бокам расширялись вместе с артериями, и чем крупнее была вена, тем сильнее она сужалась. Порядок действий был важнее, чем само разделение. Сначала сокращались мышцы живота, через долю секунды сужался синус, и оба процесса часто происходили еще до того, как животное начинало двигаться.

Порыв воздуха, направленный на усы, произвел тот же эффект за две десятых секунды. Звук не оказал никакого воздействия: он усилил приток крови к усовам на коре головного мозга, но оставил мышцы живота в покое, а крупные вены — без изменений.

«Вены — это не просто пассивные трубки», — сказал Чжан. По его словам, основное внимание в исследованиях уделяется артериям. «То, что происходит с кровью после выхода из мозга, может быть столь же динамичным и физиологически важным».

Связь заключается в давлении. Записи, полученные от 10 мышей, показали, что давление внутри черепа во время ходьбы повышалось примерно на 8 мм рт. ст. выше уровня покоя. Оно повышалось перед первым шагом и стабилизировалось после последнего.

Кровяное давление падает по мере того, как кровь пересекает кровеносную сеть, поэтому в головном мозге самое низкое давление в самых крупных венах. При сжатии снаружи самые крупные вены сужаются первыми.

Затем команда исключила из эксперимента собственные движения животного. Под наркозом с помощью управляемой компьютером манжеты живот каждой мыши сжимался в течение одной секунды. Крупные вены сузились, мелкие остались неизменными, и кровоток через ткани мозга увеличился примерно на 3%.

Сила передается по венам без клапанов, соединяющим брюшную полость со позвоночником. В своих предыдущих работах группа Дрю использовала этот метод, чтобы показать, что сжатие живота слегка смещает мозг и перемещает спинномозговую жидкость вокруг него. Команда исследователей предполагает, что эти сокращения также способствуют возникновению собственных волновых движений мозговой жидкости.

Дыхание в течение всего дня протекает в более спокойном режиме. В состоянии покоя вены следуют за дыханием, сужаясь на вдохе и расширяясь на выдохе. В среднем эти колебания составляли менее половины миллиметра ртутного столба, что примерно в двадцатую часть от колебаний при ходьбе.

Последствия этого исследования выходят за рамки простого наблюдения за ходьбой. «Это исследование показывает, как брюшная полость механически связана с мозгом и его кровеносными сосудами», — сказал Дрю. «Любое поведение, влияющее на внутрибрюшное давление, например, движение или дыхание, также повлияет на механическую среду в головном мозге и на кровоток к головному мозгу. Вполне возможно, что силы, возникающие при дыхании или физических упражнениях, играют роль в поддержании здоровья нашего мозга и его сосудов».

Четыре мыши были обследованы во время сна. Во время сна тонус мышц снижается, а вместе с ним и кровяное давление, поэтому крупные вены расширяются. После пробуждения процесс обратный: мышцы живота восстанавливаются, и вены снова сужаются.

Кровоток в головном мозге и так ведет себя необычно во время фазы быстрого сна. В это время вены были наиболее расширены, когда животное было наименее активным.

Все вышеописанное происходило на мышах. «У людей и мышей, по сути, одинаковые сосудистые структуры в головном мозге и брюшной полости, поэтому, вероятно, у людей происходит аналогичный процесс», — сказал Дрю.

На этом история связи с человечеством заканчивается.

Авторы указывают свои ограничения. В поперечном сечении синус имеет скорее треугольную, чем круглую форму, поэтому измерения диаметра могут быть завышены или занижены, а давление внутри головы неравномерно.

В головном мозге нет болевых рецепторов, но они есть в окружающей его оболочке, и именно там расположен пазуха носа.

«Вокруг крупных кровеносных сосудов головного мозга расположены чувствительные нервы, — сказал Дрю. — Когда эти сосуды сокращаются, возможно, они стимулируют эти чувствительные нервы, а потенциально и другие чувствительные нервы в близлежащих тканях. Активация этих чувствительных нервов может способствовать усилению головной боли при движении».

Для решения этой проблемы необходимо провести измерения у людей. Если эта закономерность подтвердится у людей, форму этих вен можно будет определить снаружи черепа, что будет служить индикатором давления, которое трудно измерить.