Sporing af strømmen af ​​cerebrospinalvæske

Hævelse er en af ​​de farligste og mest umiddelbare konsekvenser af en hjerneskade eller slagtilfælde. Læger har længe vidst om farerne ved hævelse, som traditionelt har fået skylden på sprængte blodkar. Ny forskning tyder på hjernens andet VVS-system, den, der cirkulerer cerebrospinalvæske (CSF), kan spille en undervurderet rolle i både godt helbred og respons på skade.

Douglas Kelley, en maskiningeniør ved University of Rochester, der bruger væskedynamik til at undersøge hjernens indre funktioner, gik sammen med Rochester neuroforsker Maiken Nedergaard for at demonstrere den tidlige hævelse umiddelbart efter en skade eller slagtilfælde, der ikke er resultatet af blod, men fra en tilstrømning af CSF. Blodet strømmer senere ind gennem tårer i blod-hjerne-barrieren.

"Der er et helt andet væsketransportsystem ud over blod, " sagde Kelley, som præsenterede arbejdet på det 73. årlige møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics. "Det har betydning for sygdom, og for patologi, og det har betydning for medicinafgivelse."

Forskere havde antaget, at CSF kun flød rundt om hjernevæv. Derefter, i 2012, Nedergaards gruppe offentliggjorde beviser, der peger på eksistensen af ​​CSF-veje gennem hjernen. Deres resultater tydede på, at under søvn, CSF flyder langs disse glymphatiske veje og skyller celleaffald væk, som amyloid-beta- og tau-proteinerne, der akkumuleres og er blevet forbundet med Alzheimers sygdom. Siden da, forskning i væskedynamikken i CSF er opstået som sit eget underområde, der kan give ny indsigt til biologer og neurovidenskabsmænd.

"At have tal på ting hjælper dig med at lave bedre forudsigelser, " sagde Kelley. "De lod os komme med forudsigelser om strømningshastigheden, og når flow er vigtigere, og hvornår diffusion er vigtigere. Vi kan lave bedre forudsigelser nu, end nogen kunne for tre eller fire år siden."

Saikat Mukherjee, en postdoc forsker ved University of Minnesota, tvillingebyer, bemærkede, at forskerne stadig er uenige om, hvorvidt CSF trænger ind i hjernevæv eller ej. Hvis det ikke gør, så er hjernen primært afhængig af diffusion for at fjerne giftige proteiner. Hvis CSF siver ind i hjernevævet, selv lidt, så kunne advektion - rensning af materiale ved væskestrøm - hjælpe betydeligt med oprydningen.

Forskellen kan være enorm. "Giftige proteiner frigives fra hjernen og sidder ikke bare der, " sagde Mukherjee. "De aggregerer til proteiner med højere og højere molekylvægt." Mukherjees arbejde tyder på, at diffusion ikke er så effektiv til at rense større aggregater, mens advektion kan fjerne proteiner af enhver størrelse. Hvis advektion viser sig at spille en rolle, han sagde, så kunne den viden måske udnyttes til at udvikle nye neurodegenerative sygdomsbehandlinger, der bedre renser proteinaggregater.

Mukherjee og hans kolleger studerer i øjeblikket kliniske data om plakopbygning i hjernen for at se, hvor godt det matcher deres simuleringer. De gennemgår også resultater fra undersøgelser, der undersøger clearance af giftige proteiner under søvn-vågen-cyklussen.

Ultimativt, sagde Mukherjee, at bruge væskedynamik til at studere hjernevæskepunkter åbner op for to klare forskningsveje. Først, det kan hjælpe neurovidenskabsmænd til bedre at forstå, hvordan kroppen slipper af med celleaffald – og hvad der sker, fra et fysisk synspunkt, når det system går i stykker. Sekund, det kunne føre til indsigt i mere fundamentale spørgsmål om væskedynamik og reaktions-diffusionstransportmekanismer i hjernen.

"Det lader os se på ny fysik, som ingen andre har set på endnu, " sagde Mukherjee.