Нейронная навигация: инженеры картируют мельчайшие кровеносные сосуды мозга с помощью компьютерных моделей
Здоровая работа мозга зависит от постоянного притока крови. Нарушения кровотока связаны с серьёзными неврологическими заболеваниями, такими как инсульт, болезнь Альцгеймера (БА) и черепно-мозговые травмы. Однако понимание того, как мозг регулирует этот кровоток, особенно через мельчайшие кровеносные сосуды, остаётся сложной задачей.
Кровоснабжение мозга включает обширную сеть сосудов, от крупных артерий до микроскопических капилляров. Между ними располагаются сосуды переходной зоны (ПЗ), такие как пенетрирующие артериолы, прекапиллярные артериолы и капиллярные сфинктеры, которые перекрывают этот промежуток и могут играть важную роль в регуляции кровотока. Однако их точный вклад, особенно во время повышенной активности мозга, остаётся предметом научных дискуссий.
Чтобы исследовать эту динамику, исследователи из Колледжа инженерии и компьютерных наук Флоридского Атлантического университета и Института сенсорики FAU (I-SENSE) разработали высокодетализированную компьютерную модель сосудистой системы мозга мыши, рассматривая каждый сегмент сосуда как крошечный регулируемый клапан.
Модель имитирует реакцию кровеносных сосудов мозга на два ключевых фактора: гемодинамику (движение крови по сосудам) и вазодинамику (активное изменение формы сосудов в ответ на этот поток). Объединяя оба процесса, модель показывает, как различные компоненты сосудистой системы мозга взаимодействуют друг с другом для поддержания стабильного кровотока, даже при изменении условий, таких как колебания артериального давления или повышенная активность в определенных областях мозга. Чтобы оценить точность модели, исследователи сравнили её прогнозы с реальными биологическими данными.
Результаты исследования, опубликованного в журнале PLOS ONE , показывают, что кровеносные сосуды мозга функционируют в четырёх различных фазах в зависимости от артериального давления. При очень низком давлении кровоток падает ниже оптимального уровня. По мере повышения давления система достигает «оптимальной зоны», где кровоток остаётся стабильным в широком диапазоне. Однако после определённого порога сосуды теряют контроль, и кровоток резко увеличивается, что может привести к перегрузке или повреждению чувствительных стенок сосудов.
«Не все сосуды играют одинаковую роль в поддержании здорового кровообращения в мозге», — сказал Рамин Пашаи, доктор философии, старший автор, профессор кафедры электротехники и компьютерных наук и кафедры биомедицинской инженерии FAU, а также научный сотрудник I-SENSE.
«Наша модель показывает, что переходные сосуды — те, что находятся между артериями и капиллярами — выполняют важнейшие функции защиты мозга и обеспечивают постоянное снабжение его кислородом и питательными веществами. Она также помогает объяснить, как мозг сохраняет свою защиту в различных физиологических условиях».
«Сами стенки сосудов, особенно эндотелиальные клетки, могут сужаться лишь до определённой степени. При достижении этого предела система теряет контроль над кровотоком, что может привести к увеличению нагрузки на стенки сосудов и способствовать развитию заболеваний или травм».
(a) Большая часть кровотока происходит в общих сосудах Cap1. (b) Скорость кровотока одинакова во всех капиллярах. (c) В более крупных капиллярах, как правило, наблюдается более медленный кровоток, но характер кровотока меняется в разных группах. (d–e) Изменение кровотока и скорости в разных ветвях и на разной глубине сосудов. Скорости показаны при давлении 40 мм рт. ст., когда сосуды наиболее широкие. При более высоком давлении скорость может быть вдвое выше. Источник: Флоридский Атлантический университет
Модель также отражала, как кровоток увеличивается во время активности мозга , известной как функциональная гиперемия, причём в этом процессе участвуют разные типы сосудов в зависимости от их расположения. В наружных слоях основную регуляторную функцию выполняют сфинктеры и сосуды ЗТ; глубже в мозге эту функцию берут на себя проникающие артериолы.
Благодаря точному моделированию того, как мозг управляет кровяным давлением и доставкой кислорода по своей микрососудистой системе, работа группы закладывает основу для разработки более совершенных диагностических инструментов, более интеллектуальных симуляций и более эффективных методов лечения широкого спектра заболеваний мозга.
«Как инженеры, мы используем вычисления, чтобы выявить то, что не всегда может показать одна лишь биология», — сказал Пашайе. «Наша модель показывает, что здоровый мозг оснащён тонко настроенными системами самозащиты, но когда эти системы дают сбой, даже небольшие изменения давления или работы сосудов могут иметь серьёзные последствия».
Исследование подчёркивает важность междисциплинарного сотрудничества между инженерией, нейробиологией и вычислительным моделированием. Теперь команда надеется усовершенствовать модель и в конечном итоге применить её к данным о человеческом мозге.
Эта модель представляет собой последний этап исследований инженерной группы Университета Флориды (FAU) в рамках её стремления разработать процедуру раннего выявления болезни Альцгеймера (БА) посредством простого осмотра глаз. Основываясь на экспериментальных наблюдениях, группа выдвинула гипотезу, что изменения в системе регуляции кровотока головного мозга происходят на самых ранних стадиях болезни Альцгеймера и сопровождаются нарушениями зрения. Ожидаются аналогичные изменения в системе регуляции кровотока сетчатки, доступной для визуализации даже у людей.
Понимание того, как изменяется система регуляции кровотока при болезни Альцгеймера и как эти изменения коррелируют с изменениями в сетчатке, позволяет неинвазивно визуализировать сосудистую систему сетчатки. Полученные данные могут быть обработаны алгоритмами искусственного интеллекта для диагностики болезни Альцгеймера, определения стадии и прогрессирования заболевания.
«Это новейшее исследование предоставляет новые и важные знания о сложных механизмах, регулирующих кровоток в мозге, в частности о том, как мелкие сосуды адаптируются к изменяющимся условиям, чтобы обеспечить питание и защиту мозга», — сказала Стелла Баталама, доктор философии, декан факультета инженерии и компьютерных наук FAU.
Эти результаты не просто расширяют наше понимание базовой физиологии; они обладают реальным потенциалом для преобразования нашего подхода к неврологическим расстройствам и травмам головного мозга. Сочетая передовое компьютерное моделирование с биологическими знаниями, наши исследователи расширяют границы возможного в области здоровья мозга.
Соавторами исследования являются Хади Эсфанди, первый автор и аспирант FAU I-SENSE; Махшад Джавидан, доктор философии, специалист по обработке данных и выпускник факультета инженерии и компьютерных наук FAU; и Розалин М. Андерсон, доктор философии, профессор гериатрии и геронтологии медицинского факультета Школы медицины и общественного здравоохранения Висконсинского университета.