Загадка о том, как мозг регулирует кровоток, чтобы предотвратить его затопление, а затем голодание каждый раз, когда сердце бьется, была решена с помощью инженерии.
Любой, кто почувствовал пульс на собственной шее, почувствует внезапный прилив крови, который накачивается в его мозг с каждым ударом сердца.
Когда сердце сокращается, кровь течет по артериям в голову, а затем, когда сердце расширяется, уровень крови снова падает.
Однако человеческому мозгу требуется постоянный поток крови, чтобы обеспечить постоянный приток кислорода, необходимый для правильной работы.
Слишком много крови может вызвать повышение давления в голове и повредить нежную ткань мозга, а слишком мало крови приведет к голоданию.
Как именно организму удается удерживать кровоток в головном мозге, который так жестко контролируется во время взлетов и падений сердечного цикла, остается в значительной степени загадкой.
Но теперь исследователи из Университета Лидса Беккета, Университета Брэдфорда и Фонда Дона Карло Ньокки в Милане помогли разгадать то, что может происходить в наших головах.
Их результаты позволяют по-новому взглянуть на работу мозга, что может быть полезно при диагностике и лечении неврологических состояний, таких как сосудистая деменция и гидроцефалия с нормальным давлением.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Biomedical Signal Processing and Control, они обнаружили, что кровь, по-видимому, хранится в кровеносных сосудах в пространстве между мозгом и черепом.
Когда сердце перекачивает кровь в череп, только часть ее попадает в капилляры, которые проникают в мозг. Артерии черепа расширяются, чтобы накапливать избыток крови.
Это расширение артерий также выталкивает жидкость, которая окружает мозг, известная как спинномозговая жидкость, в позвоночный столб.
Затем, когда сердце расслабляется, происходит внезапное падение давления, выталкивая кровь по артериям, поэтому они сокращаются, и кровь, которую они удерживают, выталкивается в капилляры головного мозга.
Эти силы использовали кровь из мозга в вены между ним и черепом. Эти церебральные вены расширяются, чтобы хранить эту кровь, когда она покидает мозг.
Однако количество крови, хранящейся в венах головного мозга, меньше, чем крови, хранящейся в артериях, поэтому спинномозговая жидкость течет обратно в череп из позвоночника.
Повышение давления затем заставляет вены выпускать кровь, которую они сдерживают, к сердцу, прежде чем цикл начнется снова.
Исследователи обнаружили, что накопление крови венами, выходящими из мозга, по-видимому, играет важную роль в регулировании поведения всей системы.
Клайв Беггс, профессор прикладной физиологии в университете Лидса Беккета, сказал: "Как объемы внутричерепной артериальной, венозной и спинномозговой жидкости взаимодействуют друг с другом, оставалось загадкой. В этом исследовании мы впервые смогли описать взаимодействия, которые происходят во всей жидкостной системе черепа в течение сердечного цикла.
"Это критически важно для понимания многих заболеваний головного мозга, особенно тех, которые возникают с возрастом."
Исследователи использовали магнитно-резонансную томографию (МРТ) для сканирования шеи 12 здоровых молодых людей, что позволило им контролировать кровоток по артериям и венам, а также спинномозговую жидкость в позвоночнике. Сканирование было выполнено в Фонде Дона Ньокки в Милане.
Затем они использовали серию алгоритмов, разработанных профессором Беггсом и его коллегой Саймоном Шепардом, профессором вычислительной математики в Университете Брэдфорда, для моделирования изменений в различных объемах жидкости внутри черепов каждого добровольца.
Исследование показало, что когда объем крови, хранящейся в черепных артериях, достиг своего пика, объемы крови в венах и спинномозговой жидкости в черепе были минимальными.
Затем по мере уменьшения объема артерии объемы венозной крови и спинномозговой жидкости в черепе увеличивались.
Важно отметить, что исследование показывает, что кровоток в венах, выходящих из черепа, тесно связан с потоком спинномозговой жидкости в желудочки головного мозга и из них – полости в центре головного мозга. При таких заболеваниях, как гидроцефалия нормального давления, эти желудочки увеличиваются.
Это говорит о том, что если по какой-либо причине поток крови в венах, выходящих из черепа, становится ограниченным, это препятствует способности внутричерепной системы поглощать изменения, вызванные сердечным циклом.
Это приведет к тому, что кровоток через капилляры головного мозга станет более пульсирующим.
Хотя последствия этого до конца не изучены, считается, что повышенный уровень пульса в капиллярах головного мозга связан с сосудистой деменцией у пожилых людей.
Исследователи надеются, что метод, который они использовали для определения изменений объема мозговой жидкости, может быть полезен неврологам, желающим изучить пациентов с заболеваниями головного мозга.
Доктор. Марселла Лагана, исследователь Миланского фонда Дона Ньокки, где проводились МРТ, сказала: "Инновационная модель может быть применена в клинической практике при дальнейших исследованиях пациентов с различными неврологическими заболеваниями."
В будущем команда надеется сравнить результаты здоровых взрослых с результатами пациентов, страдающих различными неврологическими заболеваниями, чтобы увидеть, играют ли изменения мозговой жидкости роль в этих соответствующих состояниях.
Профессор Беггс сказал: "Аномальное поведение жидкости в черепе может быть связано с целым рядом неврологических состояний, а также может быть связано со старением.
"По мере того, как вы становитесь старше, гибкость кровеносных сосудов уменьшается, поэтому большая часть пульса может достигать мозга через сосудистое русло, и со временем это может привести к проблемам.
"Проделанная нами работа может помочь заложить основу для новых способов диагностики этих проблем."
Профессор Шеперд добавил: "Помимо значительного прогресса в понимании специфической механики течения церебральной жидкости, другим важным аспектом этой работы является новый перенос мощных аналитических методологий из точных наук, таких как математика, физика и инженерия, в мир медицины.
"Возможности поставить медицинские теории на гораздо более прочную теоретическую основу, подкрепленную точными науками, очень важны для установления достоверности и принятия этих идей."