Svullnad är en av de farligaste och mest omedelbara konsekvenserna av en hjärnskada eller stroke. Läkare har länge känt till farorna med svullnad, som traditionellt har skyllts på spruckna blodkärl. Ny forskning tyder på att hjärnans andra VVS -system, den som cirkulerar cerebrospinalvätska (CSF), kan spela en underskattad roll för både god hälsa och respons på skada.
Douglas Kelley, en maskiningenjör vid University of Rochester som använder vätskedynamik för att undersöka hjärnans inre funktioner, samarbetade med Rochester neurovetenskapliga Maiken Nedergaard för att demonstrera den tidiga svullnaden omedelbart efter en skada eller stroke som inte kommer från blod, men från en inkörning av CSF. Blodet rinner in senare genom revor i blod-hjärnbarriären.
"Det finns ett helt annat vätsketransportsystem bortom blod, sa Kelley, som presenterade arbetet vid det 73:e årsmötet i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics. "Det spelar roll för sjukdomar, och för patologi, och det har betydelse för läkemedelstillförseln."
Forskare hade antagit att CSF bara flödade runt hjärnvävnaden. Sedan, under 2012, Nedergaards grupp publicerade bevis som pekar på förekomsten av CSF -vägar genom hjärnan. Deras resultat tyder på att under sömnen, CSF flödar längs dessa glymphatiska vägar och sköljer bort cellulärt skräp, som amyloid-beta- och tau-proteinerna som ackumuleras och har kopplats till Alzheimers sjukdom. Sedan dess, forskning om vätskedynamik hos CSF har dykt upp som ett eget delområde som kan ge nya insikter till biologer och neuroforskare.
"Att ha siffror på saker hjälper dig att göra bättre förutsägelser, "sa Kelley." De lät oss göra förutsägelser om flödets hastighet, och när flödet är viktigare, och när diffusion är viktigare. Vi kan göra bättre förutsägelser nu än någon annan kunde för tre eller fyra år sedan."
Saikat Mukherjee, en postdoktor vid University of Minnesota, Tvillingstäder, noterade att forskarna fortfarande är oense om huruvida CSF kommer in i hjärnvävnad eller inte. Om det inte gör det, då förlitar sig hjärnan i första hand på diffusion för att rensa bort giftiga proteiner. Om CSF inte tränger in i hjärnvävnaden, även lite, då kan advektion – rensning av material genom vätskeflöde – hjälpa avsevärt med städningen.
Skillnaden kan vara enorm. "Toxiska proteiner frigörs från hjärnan och sitter inte bara där, "sa Mukherjee." De aggregerar till proteiner med högre och högre molekylvikt. "Mukherjees arbete tyder på att diffusion inte är lika effektiv för att rensa större aggregat, medan advektion kan rensa proteiner av valfri storlek. Om advektion visar sig spela en roll, han sa, då kanske den kunskapen kan utnyttjas för att utveckla nya neurodegenerativa sjukdomsbehandlingar som bättre rensar proteinaggregat.
Mukherjee och hans kollegor studerar för närvarande kliniska data om plackuppbyggnad i hjärnan för att se hur väl det matchar deras simuleringar. De granskar också resultat från studier som undersöker clearance av giftiga proteiner under sömn-vakna cykeln.
I sista hand, sa Mukherjee, att använda vätskedynamik för att studera hjärnvätskepunkter öppnar upp för två tydliga forskningsvägar. Först, det kan hjälpa neuroforskare att bättre förstå hur kroppen gör sig av med cellrester – och vad som händer, ur en fysik synvinkel, när det systemet går sönder. Andra, det kan leda till insikter om mer grundläggande frågor om vätskedynamik och reaktionsdiffusionstransportmekanismer i hjärnan.
"Det låter oss titta på ny fysik som ingen annan har tittat på ännu, " sa Mukherjee.
