Для нормальной работы мозга необходимо стабильное кровоснабжение. Нарушения кровотока связаны с такими серьёзными неврологическими заболеваниями, как инсульт, болезнь Альцгеймера (БА) и черепно-мозговые травмы. Однако понимание того, как мозг регулирует этот процесс, особенно в мельчайших кровеносных сосудах, остаётся сложной задачей.
Кровоснабжение головного мозга осуществляется через обширную сеть сосудов, от крупных артерий до микроскопических капилляров. Между ними находятся сосуды переходной зоны (ПЗ), такие как проникающие артериолы, прекапиллярные артериолы и капиллярные сфинктеры, которые служат связующим звеном и могут играть важную роль в регулировании кровотока. Однако их точный вклад, особенно при повышенной активности мозга, остается предметом научных дискуссий.
Чтобы изучить эту динамику, исследователи из Колледжа инженерии и компьютерных наук Флоридского Атлантического университета и Института сенсорных исследований Флоридского Атлантического университета (I-SENSE) разработали высокодетализированную компьютерную модель сосудистой системы головного мозга мыши, в которой каждый сегмент сосуда рассматривается как крошечный регулируемый клапан.
Модель имитирует то, как кровеносные сосуды головного мозга реагируют на два ключевых фактора: гемодинамику, движение крови по сосудам, и вазодинамику, то, как сосуды активно меняют форму в ответ на этот поток.
Объединяя оба процесса, модель показывает, как различные компоненты сосудистой системы мозга взаимодействуют друг с другом, чтобы поддерживать стабильный кровоток даже при изменении условий, например при колебаниях артериального давления или повышенной активности в определённых областях мозга. Чтобы оценить точность модели, исследователи сравнили её прогнозы с реальными биологическими данными.
Результаты исследования, опубликованные в PLOS ONE, показывают, что кровеносные сосуды головного мозга функционируют в четырёх различных режимах в зависимости от артериального давления. При очень низком давлении кровоток падает ниже оптимального уровня. По мере повышения давления система входит в «зону комфорта», где кровоток остаётся стабильным в широком диапазоне. Но при превышении определённого порога сосуды теряют контроль, и кровоток резко увеличивается, что может привести к стрессу или повреждению хрупких стенок сосудов.
Не все сосуды одинаково важны для поддержания здорового кровообращения в мозге.
Рамин Пашаи, доктор философии, старший автор исследования и профессор кафедры электротехники и компьютерных наук, а также кафедры биомедицинской инженерии Атлантического университета Флориды
Пашаи также является научным сотрудником I-SENSE.
«Наша модель показывает, что переходные сосуды — те, что находятся между артериями и капиллярами, — выполняют важнейшую функцию по защите мозга и обеспечению стабильного поступления кислорода и питательных веществ. Это также помогает объяснить, как мозг остаётся защищённым при различных физиологических состояниях. Сами стенки сосудов — особенно эндотелиальные клетки — могут сужаться лишь до определённого предела. Когда этот предел достигнут, система частично теряет контроль над кровотоком, что может привести к повышенной нагрузке на стенки сосудов и способствовать развитию заболеваний или травм».
Модель также показала, как увеличивается кровоток во время мозговой активности — это явление называется функциональной гиперемией — и как разные типы сосудов берут на себя ведущую роль в зависимости от своего расположения. Во внешних слоях большую часть работы по регуляции выполняют сфинктеры и сосуды Т-образной формы; в более глубоких слоях мозга за дело берутся проникающие артериолы.
Благодаря точному моделированию того, как мозг регулирует кровяное давление и доставку кислорода по микрососудистой системе, работа команды закладывает основу для разработки более совершенных диагностических инструментов, интеллектуальных симуляций и более эффективных методов лечения широкого спектра заболеваний головного мозга.
«Как инженеры, мы используем вычислительные методы, чтобы выявить то, что не всегда можно обнаружить с помощью одних только биологических методов, — сказал Пашаи. — Наша модель показывает, что здоровый мозг оснащён хорошо настроенными системами самозащиты, но когда эти системы дают сбой, даже небольшие изменения в давлении или работе сосудов могут привести к серьёзным последствиям».
Исследование подчёркивает важность междисциплинарного сотрудничества в области инженерии, нейробиологии и вычислительного моделирования. Теперь команда надеется усовершенствовать модель и в конечном счёте применить её к данным о человеческом мозге.
Эта модель представляет собой новейший этап исследований инженерной команды из Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга Гёте, которая занимается разработкой процедуры раннего выявления болезни Альцгеймера с помощью простого офтальмологического обследования. На основе экспериментальных наблюдений команда выдвинула гипотезу о том, что изменения в системе регуляции кровотока в головном мозге происходят на самых ранних стадиях болезни Альцгеймера и сопровождаются нарушениями зрения.
Ожидается, что аналогичные изменения произойдут в системе регуляции кровотока в сетчатке, которую можно визуализировать даже у человека. Понимание того, как меняется система регуляции кровотока при болезни Альцгеймера и как эти изменения соотносятся с изменениями в сетчатке, позволит проводить неинвазивную визуализацию сосудов сетчатки. Данные визуализации можно обрабатывать с помощью алгоритмов искусственного интеллекта для диагностики болезни Альцгеймера и определения стадии и прогрессирования заболевания.
«Это новейшее исследование позволяет по-новому взглянуть на сложные механизмы, регулирующие кровоток в мозге, в частности на то, как крошечные сосуды адаптируются к меняющимся условиям, чтобы обеспечить мозг питанием и защитой», — сказала Стелла Баталама, доктор философии, декан Колледжа инженерии и компьютерных наук Флоридского Атлантического университета. «Эти результаты не просто расширяют наше понимание базовой физиологии; они могут в корне изменить подход к лечению неврологических расстройств и травм головного мозга». Сочетая передовые методы компьютерного моделирования с биологическими знаниями, наши исследователи расширяют границы возможного в области здоровья мозга.
Источник: Атлантический университет Флориды
Ссылка на журнал:
Эсфанди, Х., и др. (2025). Зависимый от глубины вклад различных сосудистых зон в церебральную ауторегуляцию и функциональную гиперемию: анализ in silico. Журнал «Аллергия и клиническая иммунология». doi.org/10.1371/journal.pone.0321053
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся