Επιστήμονες ανακαλύπτουν κρυφή “καθαριστική” δράση του εγκεφάλου που πυροδοτείται από την κίνηση

Η μελέτη δείχνει ότι όταν οι κοιλιακοί μύες σφίγγονται, πιέζουν τα αιμοφόρα αγγεία που συνδέονται με τον νωτιαίο μυελό και τον εγκέφαλο. Αυτή η πίεση προκαλεί μια μικρή μετατόπιση του εγκεφάλου μέσα στο κρανίο. Αυτή η απαλή κίνηση φαίνεται να βοηθά το εγκεφαλονωτιαίο υγρό να κινηθεί στον εγκέφαλο, μεταφέροντας πιθανώς απορρίμματα που μπορούν να εμποδίσουν την κανονική εγκεφαλική λειτουργία.

Ένας Μηχανικός Σύνδεσμος μεταξύ Κίνησης και Υγείας του Εγκεφάλου

Ο Patrick Drew, καθηγητής μηχανικής επιστήμης και μηχανικής, νευροχειρουργικής, βιολογίας και βιοϊατρικής μηχανικής στο Penn State, δήλωσε ότι τα ευρήματα βασίζονται σε προηγούμενη έρευνα σχετικά με το πώς ο ύπνος και η απώλεια νευρώνων επηρεάζουν τη ροή του εγκεφαλονωτιαίου υγρού στον εγκέφαλο.

“Η έρευνά μας εξηγεί πώς η απλή κίνηση μπορεί να χρησιμεύσει ως ένας σημαντικός φυσιολογικός μηχανισμός που προάγει την υγεία του εγκεφάλου”, δήλωσε ο Drew, ο αντίστοιχος συγγραφέας της εργασίας. “Σε αυτή τη μελέτη, διαπιστώσαμε ότι όταν οι κοιλιακοί μύες συσπώνται, ωθούν αίμα από την κοιλιά στον νωτιαίο μυελό, όπως σε ένα υδραυλικό σύστημα, ασκώντας πίεση στον εγκέφαλο και προκαλώντας την κίνησή του. Προσομοιώσεις δείχνουν ότι αυτή η απαλή κίνηση του εγκεφάλου θα οδηγήσει σε ροή υγρού μέσα και γύρω από τον εγκέφαλο. Θεωρείται ότι η κίνηση του υγρού στον εγκέφαλο είναι σημαντική για την απομάκρυνση απορριμμάτων και την πρόληψη νευροεκφυλιστικών διαταραχών. Η έρευνά μας δείχνει ότι λίγη κίνηση είναι καλή, και θα μπορούσε να είναι ένας ακόμη λόγος για τον οποίο η άσκηση είναι καλή για την υγεία του εγκεφάλου μας.”

Ο Drew, ο οποίος είναι επίσης αναπληρωτής διευθυντής των Ινστιτούτων Huck των Επιστημών της Ζωής, συνέκρινε τη διαδικασία με ένα υδραυλικό σύστημα. Σε αυτή την περίπτωση, οι κοιλιακοί μύες λειτουργούν ως αντλία. Ακόμη και μικρές ενέργειες, όπως η ενίσχυση του κορμού σας πριν σηκωθείτε ή κάνετε ένα βήμα, μπορούν να δημιουργήσουν αυτό το αποτέλεσμα. Η πίεση μεταδίδεται μέσω του σπονδυλικού φλεβικού πλέγματος, ενός δικτύου φλεβών που συνδέει την κοιλιά με την σπονδυλική κοιλότητα, οδηγώντας σε μικρή κίνηση του εγκεφάλου.

Η Απεικόνιση Αποκαλύπτει την Κίνηση του Εγκεφάλου που Πυροδοτείται από τις Μυϊκές Συσπάσεις

Για να παρατηρήσουν αυτή τη διαδικασία, οι ερευνητές μελέτησαν κινούμενα ποντίκια χρησιμοποιώντας δύο προηγμένες τεχνικές απεικόνισης. Η μικροσκοπία δύο φωτονίων παρείχε λεπτομερείς εικόνες ζωντανού ιστού, ενώ η μικρο-υπολογιστική τομογραφία προσέφερε τρισδιάστατες εικόνες υψηλής ανάλυσης ολόκληρων οργάνων.

Διαπίστωσαν ότι ο εγκέφαλος μετατοπίστηκε λίγο πριν κινηθούν τα ζώα, αμέσως μετά τη σύσπαση των κοιλιακών μυών για την έναρξη της κίνησης.

Για να επιβεβαιώσουν ότι η κοιλιακή πίεση ήταν ο βασικός παράγοντας, η ομάδα εφάρμοσε ήπια, ελεγχόμενη πίεση στα στομάχια ελαφρώς αναισθητοποιημένων ποντικών. Δεν υπήρχε άλλη κίνηση. Το επίπεδο πίεσης ήταν χαμηλότερο από αυτό που βιώνει ένα άτομο κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης πίεσης του αίματος, ωστόσο προκάλεσε την κίνηση του εγκεφάλου.

“Το σημαντικό είναι ότι ο εγκέφαλος άρχισε να κινείται πίσω στην αρχική του θέση αμέσως μετά την άρση της κοιλιακής πίεσης”, δήλωσε ο Drew. “Αυτό υποδηλώνει ότι η κοιλιακή πίεση μπορεί να αλλάξει γρήγορα και σημαντικά τη θέση του εγκεφάλου μέσα στο κρανίο.”

Οι Προσομοιώσεις Δείχνουν Πώς το Υγρό Μπορεί να Ρέει Μέσω του Εγκεφάλου

Αφού επιβεβαίωσαν ότι οι κοιλιακές συσπάσεις οδηγούν την κίνηση του εγκεφάλου, οι ερευνητές στράφηκαν στο επόμενο ερώτημα: πώς αυτή η κίνηση επηρεάζει τη ροή των υγρών. Εκείνη την εποχή, καμία μέθοδος απεικόνισης δεν μπορούσε να καταγράψει τη γρήγορη και πολύπλοκη συμπεριφορά του εγκεφαλονωτιαίου υγρού με λεπτομέρεια.

“Ευτυχώς, η διεπιστημονική μας ομάδα στο Penn State μπόρεσε να αναπτύξει αυτές τις τεχνικές, συμπεριλαμβανομένης της διενέργειας απεικονιστικών πειραμάτων σε ζωντανά ποντίκια και της δημιουργίας υπολογιστικών προσομοιώσεων ροής υγρών”, δήλωσε ο Drew. “Αυτός ο συνδυασμός εμπειρογνωμοσύνης είναι τόσο σημαντικός για την κατανόηση αυτών των τύπων περίπλοκων συστημάτων και πώς επηρεάζουν την υγεία.”

Ο Francesco Costanzo, καθηγητής μηχανικής επιστήμης και μηχανικής, βιοϊατρικής μηχανικής, μηχανολογίας και μαθηματικών, ηγήθηκε του έργου μοντελοποίησης.

“Η μοντελοποίηση της ροής υγρών μέσα και γύρω από τον εγκέφαλο παρουσιάζει μοναδικές προκλήσεις επειδή υπάρχουν ταυτόχρονες, ανεξάρτητες κινήσεις, καθώς και χρονικά εξαρτώμενες, συζευγμένες κινήσεις. Ο λογαριασμός όλων αυτών απαιτεί τον λογαριασμό της ειδικής φυσικής που συμβαίνει κάθε φορά που ένα σωματίδιο ρευστού διασχίζει μία από τις πολλές μεμβράνες στον εγκέφαλο”, δήλωσε ο Costanzo. “Έτσι, το απλοποιήσαμε. Ο εγκέφαλος έχει μια δομή παρόμοια με σφουγγάρι, με την έννοια ότι έχετε έναν μαλακό σκελετό και το υγρό μπορεί να κινηθεί μέσα από αυτόν.”

Θεωρώντας τον εγκέφαλο σαν σφουγγάρι, η ομάδα μπόρεσε να προσομοιώσει πώς το υγρό ταξιδεύει μέσα από χώρους διαφορετικών μεγεθών, παρόμοια με τις πτυχώσεις του εγκεφάλου ή τους πόρους ενός σφουγγαριού.

“Διατηρώντας την ιδέα του εγκεφάλου ως σφουγγάρι, τον σκεφτήκαμε επίσης ως βρώμικο σφουγγάρι – πώς καθαρίζεις ένα βρώμικο σφουγγάρι;”, ρώτησε ο Costanzo. “Το τρέχεις κάτω από μια βρύση και το στίβεις. Στις προσομοιώσεις μας, μπορέσαμε να πάρουμε μια ιδέα για το πώς η κίνηση του εγκεφάλου από μια κοιλιακή σύσπαση μπορεί να βοηθήσει στην πρόκληση ροής υγρών πάνω από τον εγκέφαλο για να βοηθήσει στην απομάκρυνση των αποβλήτων.”

Επιπτώσεις στην Υγεία του Εγκεφάλου και την Πρόληψη Ασθενειών

Ο Drew σημείωσε ότι χρειάζεται περαιτέρω έρευνα για να προσδιοριστεί πώς αυτά τα ευρήματα ισχύουν για τους ανθρώπους. Ωστόσο, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η καθημερινή κίνηση μπορεί να βοηθήσει στην κυκλοφορία του εγκεφαλονωτιαίου υγρού μέσω του εγκεφάλου, βοηθώντας στην απομάκρυνση απορριμμάτων και πιθανώς μειώνοντας τον κίνδυνο νευροεκφυλιστικών ασθενειών που συνδέονται με τη συσσώρευση απορριμμάτων.

“Αυτό το είδος κίνησης είναι τόσο μικρό. Είναι αυτό που παράγεται όταν περπατάτε ή απλώς συσπάτε τους κοιλιακούς σας μυς, κάτι που κάνετε όταν συμμετέχετε σε οποιαδήποτε φυσική δραστηριότητα. Θα μπορούσε να κάνει τόσο μεγάλη διαφορά για την υγεία του εγκεφάλου σας”, δήλωσε ο Drew.

Ερευνητική Ομάδα και Χρηματοδότηση

Συν-συγγραφείς περιλαμβάνουν τους C. Spencer Garborg, μεταδιδακτορικό ερευνητή στο εργαστήριο του Drew. Beatrice Ghitti, η οποία ήταν μεταδιδακτορική ερευνήτρια υπό την επίβλεψη τόσο του Costanzo όσο και του Drew κατά τη στιγμή της έρευνας και είναι τώρα ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Auckland. Qingguang Zhang, ο οποίος ήταν βοηθός καθηγητής έρευνας στο εργαστήριο του Drew και είναι τώρα βοηθός καθηγητής φυσιολογίας στο Michigan State University. Joseph M. Ricotta, ο οποίος ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Drew. Noah Frank, ο οποίος απέκτησε το πτυχίο του στη μηχανολογία από το Penn State. Sara J. Mueller, η οποία ηγήθηκε του Κέντρου Ποσοτικής Απεικόνισης του Penn State κατά τη στιγμή της έρευνας και είναι τώρα εκτελεστική διευθύντρια της Wildlife Leadership Academy. Denver L. Greenawalt και Hyunseok Lee, μεταπτυχιακοί φοιτητές στο Penn State. Kevin L. Turner και Ravi T. Kedarasetti, οι οποίοι απέκτησαν διδακτορικό τίτλο από το Penn State υπό συν-επίβλεψη από τους Drew και Costanzo. και Marceline Mostafa, προπτυχιακή φοιτήτρια που απέκτησε πτυχίο στη βιολογία. Η μικρο-υπολογιστική τομογραφική απεικόνιση για αυτό το έργο πραγματοποιήθηκε στο Κέντρο Ποσοτικής Απεικόνισης του Penn State, μια βασική ερευνητική εγκατάσταση του Ινστιτούτου Ενέργειας και Περιβάλλοντος.

Τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Τμήμα Υγείας της Πενσυλβάνια και η Αμερικανική Καρδιολογική Εταιρεία υποστήριξαν αυτή την έρευνα.