Недавнє дослідження, опубліковане в журналі Nature Neuroscience, припускає, що мозок механічно пов'язаний з тілом сильніше, ніж вважалося раніше. Вчені виявили, що скорочення м'язів черевного преса стискають кровоносні судини, пов'язані з хребтом та головним мозком, виштовхуючи рідину, яка м'яко переміщає мозок усередині черепа. Це фізичне похитування є доказом того, як фізичні вправи можуть поліпшити здоров'я мозку, вимиваючи клітинні відходи.
Вчені поставили перед собою завдання зрозуміти конкретні механічні причини руху мозку у тварин, що не сплять. Центральна нервова система вкрита товстою кісткою, що створює враження її ізоляції від фізичних сил решти тіла. Однак, за словами Патріка Дрю, професора інженерних наук і механіки, нейрохірургії, біології та біомедичної інженерії в Університеті штату Пенсільванія, ця робота ґрунтується на попередніх дослідженнях, які докладно описують, як сон і втрата нейронів можуть впливати на те, як і коли спинномозкова рідина проходить через мозок.
"Наше дослідження пояснює, як простий рух може служити важливим фізіологічним механізмом, що сприяє здоров'ю мозку", - сказав Дрю, провідний автор статті. "У цьому дослідженні ми виявили, що при скороченні м'язів черевної порожнини вони виштовхують кров із черевної порожнини в спинний мозок, подібно до гідравлічної системи, чинячи тиск на мозок і змушуючи його рухатися".
"Моделювання показує, що цей м'який рух мозку сприяє потоку рідини всередині та навколо мозку", - сказав Дрю. "Вважається, що рух рідини в мозку важливий для видалення відходів та запобігання нейродегенеративним захворюванням. Наше дослідження показує, що невеликий рух корисний, і це може бути ще однією причиною, чому фізичні вправи корисні для здоров'я нашого мозку".
Для спостереження за цими мікроскопічними рухами автори використовували двофотонну мікроскопію, яка дозволяє отримувати зображення живої тканини високої роздільної здатності. Вони досліджували 24 мишей на біговій доріжці та виявили, що мозок мишей злегка зміщувався вперед та убік під час бігу.
Цікаво, що дослідники спостерігали зміщення мозку за мить до руху миші, але відразу після напруження м'язів живота, необхідного для подальшого руху тіла. Оскільки мозок рухався безпосередньо перед рухом ніг, вчені припустили, що за це можуть відповідати м'язи корпусу. Датчики, що були імплантовані мишам, реєстрували сплески активності м'язів живота, які ідеально передували рухам мозку.
Дрю, який також обіймає посаду заступника директора Інституту біологічних наук Хака в Університеті штату Пенсільванія, пояснив, як у гідравлічній системі помпа створює тиск, що приводить у рух потік рідини. У цьому випадку помпою є скорочення м'язів живота, яке може бути таким легким, як напруга перед тим, як сісти чи зробити крок.
Щоб зрозуміти фізичний зв'язок, вчені склали карту кровоносних судин, що з'єднують живіт із хребтом. Вони ввели спеціальний барвник двом мишам та провели сканування тварин за допомогою мікрокомп'ютерної томографії, яка дозволяє проводити високоточне тривимірне дослідження цілих органів. Сканування виявило спеціалізовану мережу вен, яка називається хребетним венозним сплетенням.
Скорочення чинить тиск на хребетне венозне сплетення - мережу вен, що з'єднують черевну порожнину зі спинномозковою порожниною, - викликаючи рух головного мозку. При скороченні черевних м'язів кров виштовхується з черевної порожнини нагору в хребетний стовп. Додатковий об'єм усередині хребта виштовхує рідину нагору, створюючи хвилю тиску, яка фізично переміщає головний мозок.
Щоб підтвердити, що як помпа діяли саме скорочення черевної порожнини, а не інші рухи, дослідники застосували м'який і контрольований тиск на живіт мишей, що знаходилися під легкою анестезією. Вони створили спеціальний пневматичний пояс, подібний до мініатюрної манжети для вимірювання артеріального тиску. За відсутності будь-яких інших рухів, крім локального механічного тиску, меншого, ніж те, що відчуває людина з манжетою для вимірювання артеріального тиску, мозок мишей змістився.
"Важливо відзначити, що мозок почав повертатися у вихідний стан відразу після зняття внутрішньочеревного тиску", – сказав Дрю. "Це говорить про те, що внутрішньочеревний тиск може швидко і значно змінювати положення мозку всередині черепа".
Після підтвердження зв'язку між скороченнями черевної порожнини й рухом мозку Дрю сказав, що наступним кроком було зрозуміти рух рідини в мозку і чи може рух мозку викликати приплив рідини. Однак раніше не існувало методів візуалізації, що дозволяють спостерігати швидку та тонку динаміку таких потоків рідини.
"На щастя, наша міждисциплінарна команда в Університеті штату Пенсільванія змогла розробити ці методи, включаючи проведення експериментів із візуалізації живих мишей та створення комп'ютерних симуляцій руху рідини", - сказав Дрю. "Таке поєднання експертних знань є вкрай важливим для розуміння подібних складних систем і того, як вони впливають на здоров'я".
Франческо Костанцо, професор інженерних наук та механіки, біомедичної інженерії, машинобудування та математики в Університеті штату Пенсільванія, керував комп'ютерним моделюванням. Ця модель була спрощеною геометрією центральної нервової системи миші.
"Моделювання потоку рідини в головному мозку і навколо нього є унікальними проблемами, оскільки існують одночасні, незалежні рухи, а також залежні від часу пов'язані рухи", — сказав Костанцо. "Облік всіх цих рухів вимагає врахування особливих фізичних процесів, що відбуваються щоразу, коли частка рідини перетинає одну з численних мембран у головному мозку".
"Тому ми спростили модель", - сказав Костанцо. "Груди мають структуру, схожу на губку, в тому сенсі, що у вас є м'який скелет, і рідина може рухатися крізь нього".
Спростивши геометрію мозку до форми губки, Костанцо пояснив, що команда спромоглася змоделювати, як рідина тече через структуру з різними просторами, такими як складки в мозку або пори в губці.
"Продовжуючи ідею про мозок як губку, ми також розглядали його як брудну губку. Як почистити брудну губку?" — спитав Костанцо. "Ви намочуєте її під краном та відтискаєте. У наших симуляціях ми змогли зрозуміти, як рух мозку, спричинений скороченням м'язів живота, може сприяти притоку рідини до мозку, допомагаючи виводити продукти обміну речовин".
Симуляція показала, що раптовий рух мозку виштовхує інтерстиціальну рідину - рідину, що знаходиться в мікроскопічних просторах навколо клітин, - з тканини мозку. Цей відтік є повною протилежністю до того, що відбувається під час сну, коли рідина глибоко проникає в мозок, видаляючи відходи.
Хоча ці результати дають деяке уявлення про проблему, слід зважати на кілька обмежень. Експерименти вимагали, щоб миші були зафіксовані в ідеально нерухомому положенні. У тварини, що вільно рухається, фізичні сили, що виникають при русі голови вгору і вниз, також впливали б на мозок, що додає ще один рівень складності.
Крім того, вчені візуалізували лише верхню частину кори головного мозку. Глибокі області мозку, зазвичай, відчувають різні види розтягування чи усунення під час скорочень черевної порожнини. Комп'ютерне моделювання також ґрунтувалося на спрощеній геометрії головного та спинного мозку, яка може не відображати того, як рідини переміщуються у складній анатомії нервової системи у реальному світі.
Дрю підкреслив, що, хоча для розуміння всіх наслідків для людини необхідні додаткові дослідження, це дослідження передбачає, що рух тіла може сприяти циркуляції спинномозкової рідини в головному мозку та навколо нього, видаляючи відходи та допомагаючи захистити від нейродегенеративних захворювань, пов'язаних із накопиченням відходів.
"Це дуже малий рух", - сказав Дрю. "Він відбувається, коли ви ходите або просто скорочуєте м'язи живота, що трапляється за будь-якої фізичної активності. Але це може суттєво вплинути на здоров'я вашого мозку."
