Ученые обнаружили «быструю» и «медленную» полосы очистки мозга

Ученые из Рочестерского университета, Брауновского университета и Копенгагенского университета совершили прорыв в изучении глимфатической системы мозга — «очистного механизма», который удаляет метаболические отходы, связанные с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера. Используя искусственный интеллект, исследователи впервые смогли точно измерить скорость движения жидкости в живом мозге, обнаружив два принципиально разных «режима» циркуляции.

Глимфатическая система, впервые описанная в 2012 году нейробиологом Майкен Недергаард, играет ключевую роль в очистке мозга во время глубокого сна. Однако измерение скорости этой медленной циркуляции долгое время оставалось серьезной проблемой: традиционная МРТ не способна уловить столь незначительные потоки, а микроскопия дает лишь фрагментарное представление о процессе.

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, команда применила физически-информированный ИИ. Нейросети обучали на видеозаписях распространения красителя по мозговой ткани, что позволило алгоритмам вычислять как скорость потока жидкости, так и проницаемость окружающих тканей.

«Можно поместить микроскоп на небольшой участок мозга и наблюдать за происходящим там с большой детализацией, но это лишь крошечный фрагмент общего процесса. МРТ дает трехмерное изображение, но не улавливает скорость потоков, по крайней мере таких медленных», — поясняет профессор Дуглас Келли из кафедры машиностроения Рочестерского университета.

Результаты показали, что в открытых областях вокруг мозга, включая пространство между черепом и поверхностью мозга, жидкость движется со скоростью несколько микрон в секунду. Однако в глубине мозговой ткани этот поток примерно в 50 раз медленнее. Это открытие имеет огромное значение для понимания того, как мозг избавляется от токсичных белков, таких как амилоид-бета.

Сейчас исследователи используют мышей для установления базовых показателей нормальной циркуляции жидкости. В долгосрочной перспективе они надеются применить этот метод для изучения человеческого мозга, что может открыть новые возможности для диагностики неврологических заболеваний.

«Мы усердно работаем над тем, чтобы измерять потоки жидкости в человеческом мозге, поскольку тогда клиническое применение станет гораздо более важным и захватывающим. Мы надеемся когда-нибудь увидеть, есть ли у пациента с болезнью Альцгеймера плохая циркуляция, или даже выявлять ее на ранних стадиях, чтобы попытаться предотвратить развитие заболевания. Или мы могли бы проверять людей после сотрясения мозга, чтобы понять, не нарушена ли циркуляция жидкости. Это исследование приближает нас к этой цели», — добавляет Келли.

Исследование поддержано Национальным центром комплементарного и интегративного здоровья NIH и инициативой NIH BRAIN. В работе также участвовали аспиранты и исследователи из всех трех университетов.