Ученые обнаружили удивительную связь между простыми движениями тела и здоровьем мозга: каждый раз, когда вы напрягаете мышцы живота — даже слегка — ваш мозг может мягко покачиваться внутри черепа. Это едва заметное движение, вызванное изменениями давления в соединенных кровеносных сосудах, по-видимому, помогает циркулировать спинномозговой жидкости вокруг мозга, потенциально выводя вредные отходы.
Используя микрокомпьютерную томографию, которая позволяет получать изображения внутренних структур организма с высоким разрешением, и другие методы визуализации, исследователи обнаружили, что сеть вен служит механической связью между брюшной полостью и мозгом. На этом изображении вены, выделенные красным цветом, проходят через внутреннюю часть позвонка и вокруг позвоночника. Фото: Университет штата Пенсильвания.
Ученые обнаружили, что мозг физически связан с телом сильнее, чем считалось ранее. В результатах исследования, опубликованных 27 апреля в журнале Nature Neuroscience, исследователи использовали эксперименты на мышах, а также компьютерное моделирование, чтобы выявить возможную причину того, почему физическая активность поддерживает здоровье мозга.
Исследование показывает, что когда мышцы живота напрягаются, они давят на кровеносные сосуды, соединенные со спинным мозгом и головным мозгом. Это давление вызывает небольшое смещение мозга внутри черепа. Это легкое движение, по-видимому, помогает спинномозговой жидкости перемещаться по мозгу, что может выводить отходы, которые могут препятствовать нормальной работе мозга.
Механическая связь между движением и здоровьем мозга
Патрик Дрю, профессор инженерных наук и механики, нейрохирургии, биологии и биомедицинской инженерии в Университете штата Пенсильвания, сказал, что полученные результаты дополняют более ранние исследования того, как сон и потеря нейронов влияют на время движения спинномозговой жидкости в мозге.
«Наше исследование объясняет, как простое движение может служить важным физиологическим механизмом, способствующим здоровью мозга», — сказал Дрю, ведущий автор статьи. «В этом исследовании мы обнаружили, что при сокращении мышц живота они проталкивают кровь из брюшной полости в спинной мозг, подобно гидравлической системе, оказывая давление на мозг и заставляя его двигаться. Моделирование показывает, что это легкое движение мозга будет способствовать притоку жидкости в мозг и вокруг него. Считается, что движение жидкости в мозге важно для удаления отходов и предотвращения нейродегенеративных заболеваний. Наше исследование показывает, что даже небольшое движение полезно, и это может быть еще одной причиной, почему физические упражнения полезны для здоровья нашего мозга».
Дрю, который также является заместителем директора Института наук о жизни Хакка, сравнил этот процесс с гидравлической системой. В данном случае мышцы живота действуют как насос. Даже небольшие действия, такие как напряжение мышц кора перед тем, как встать или сделать шаг, могут создать этот эффект. Давление передается через венозное сплетение позвоночника, сеть вен, соединяющих брюшную полость со спинномозговой полостью, что приводит к легкому движению мозга.
Визуализация выявила движение мозга, вызванное мышечными сокращениями.
Для наблюдения за этим процессом исследователи изучали движущихся мышей, используя две передовые методики визуализации. Двухфотонная микроскопия обеспечила детальные изображения живой ткани, а микрокомпьютерная томография — высокоразрешенные трехмерные изображения целых органов.
Они обнаружили, что мозг смещался непосредственно перед движением животных, сразу после того, как брюшные мышцы напрягались, инициируя движение.
Чтобы подтвердить, что ключевым фактором было внутрибрюшное давление, команда применила мягкое, контролируемое давление на живот мышей, находящихся под легкой анестезией. Никаких других движений не наблюдалось. Уровень давления был ниже, чем тот, который испытывает человек во время измерения артериального давления, но тем не менее он вызывал движение мозга.
«Важно отметить, что мозг начал возвращаться в исходное положение сразу после снятия внутрибрюшного давления», — сказал Дрю. «Это говорит о том, что внутрибрюшное давление может быстро и значительно изменять положение мозга внутри черепа».
Моделирование показывает, как жидкость может течь через мозг
После подтверждения того, что сокращения мышц живота приводят в движение мозг, исследователи перешли к следующему вопросу: как это движение влияет на поток жидкости. В то время ни один метод визуализации не мог детально зафиксировать быстрое и сложное поведение спинномозговой жидкости.
«К счастью, наша междисциплинарная команда в Университете штата Пенсильвания смогла разработать эти методы, включая проведение экспериментов по визуализации живых мышей и создание компьютерных симуляций движения жидкости», — сказал Дрю. «Это сочетание экспертных знаний очень важно для понимания таких сложных систем и того, как они влияют на здоровье».
Франческо Костанцо, профессор инженерных наук и механики, биомедицинской инженерии, машиностроения и математики, руководил работой по моделированию.
«Моделирование потока жидкости в мозге и вокруг него представляет собой уникальные проблемы, поскольку существуют одновременные, независимые движения, а также зависящие от времени, связанные движения. Учет всех этих движений требует учета особых физических процессов, происходящих каждый раз, когда частица жидкости пересекает одну из многих мембран.
