Гидравлическая связь: как живот двигает мозгом

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Neuroscience, показало: связь мозга с телом куда механичнее, чем мы думали. Учёные выяснили, что сокращение мышц живота приводит к сжатию кровеносных сосудов, связывающих живот с позвоночником и мозгом, буквально проталкивая жидкость, которая нежно покачивает мозг внутри черепа. Такая "качающаяся ванна" может объяснять, почему физическая активность полезна для мозгового здоровья: она может смывать клеточные отходы из мозга.

Исследователи задались целью понять, почему и как мозг двигается у бодрствующих животных. Центральная нервная система надёжно изолирована толстой костью, поэтому раньше считалось, что на неё трудно воздействовать. Но новое исследование продолжает идеи прошлых работ, в которых выяснялось, как сон и гибель нейронов влияют на движение и промывку мозговой жидкости (цереброспинальной).

Патрик Дрю, профессор Пенсильванского университета, объясняет: "Движение может быть важнейшим физиологическим механизмом, поддерживающим здоровье мозга". Исследование показало: когда мышцы живота сокращаются, кровь из живота словно по гидравлической системе выдавливается в спинной мозг, создавая давление, которое толкает мозг.

Симуляции подтверждают: это аккуратное движение мозга заставляет жидкость циркулировать вокруг него. По мнению Дрю, движение жидкостей важно для удаления отходов и защиты от нейродегенеративных заболеваний. Немного движений - и для мозга польза.

Чтобы наблюдать такие микро-движения, применяли двуфотонную микроскопию — изобретение для по-настоящему тонкой визуализации живых тканей. В эксперименте, 24 мыши бегали по сферической "беговой дорожке" с прозрачно вставленным в череп окном, позволяющим наблюдать их кору. Учёные поочерёдно наводили микроскоп на светящиеся микрошарики на черепе и клетки мозга, фиксируя их сдвиг с точностью до 40 кадров в секунду. Выяснилось: при беге мозг слегка сдвигался вперёд и вбок.

Интересно, что смещение мозга происходило до того, как мышь начинала двигать лапами — сразу после напряжения мышц живота. Это навело учёных на мысль, что именно "пресс" ответственен за "гидравлику". Сенсоры показали: всплески активности абдоминальных мышц совпадают с движением мозга.

Чтобы подтвердить причину, исследователи сдавливали животы анестезированных мышей с помощью специального пневматического пояса и видели — мозг резко двигается. Стоило отпустить — мозг тут же возвращался на место.

Для понимания связи учёные следили за венами, соединяющими живот и спину, используя окрашивание и 3D-сканирование мышей. Оказалось, что ключ — в позвоночном венозном сплетении, которое легко передаёт давление от живота в спинномозговую полость, а дальше — к мозгу. Сокращение мышц выталкивает кровь вверх, а жидкость поднимается, двигая мозг.

Дальнейшие этапы — уточнение особенностей "омывания" мозга и связей жидкостных потоков. Для этого команда разработала свои техники высокоточного сканирования и компьютерного моделирования: мозг упростили до губки, через которую циркулирует жидкость. "Мы думали о мозге как о грязной губке: чтобы её промыть — сначала сожми, потом отпусти", — шутит соавтор Франческо Костанцо.

Компьютерные модели показали: быстрая смена положения мозга выталкивает жидкость наружу, то есть появляются потоки, удаляющие продукты обмена — в отличие от сна, когда жидкость проникает в глубины мозга.

Однако у экспериментов есть ограничения: мыши были обездвижены головой, и измерения осуществлялись только на поверхности коры — глубинные зоны мозга могут вести себя иначе. Да и упрощённая модель не охватывает всю сложность анатомии.

Тем не менее, авторы уверены: исследование намекает, что даже простая физическая активность может запускать циркуляцию жидкостей в мозге, защищая от болезней, связанных с накоплением отходов.

Работа опубликована под заголовком "Движение мозга обусловлено механической связью с брюшной полостью". Среди авторов — C. Spencer Garborg, Beatrice Ghitti, Qingguang Zhang, Joseph M. Ricotta и др.