Компьютерное моделирование нейродегенеративных заболеваний

• Новая модель исследует, как инфекционные семена распространяются через неровную структуру мозга.
• Исследователи использовали МРТ-сканирование мозга взрослого человека для создания симуляций с высоким разрешением как в 2D, так и в 3D.
• Эти симуляции воссоздают характер повреждений, наблюдаемых при многочисленных нейродегенеративных расстройствах.

Нейродегенеративные заболевания, связанные с возрастом, - это многогранные и сложные патологии. В большинстве случаев их рост тесно связан с развитием определенных белковых агрегатов, известных как прионы.

Прионы - это инфекционные семена, которые запускают цепную реакцию агрегации белков и неправильной укладки, вызывая конформационный автокатализ. Постепенно эти семена расширяются, фрагментируются и распространяются на другие области мозга. Это влияет на нормальное функционирование нервной системы и вызывает церебральную атрофию, некроз и, в конечном итоге, смерть. Именно это происходит при болезни Паркинсона и Альцгеймера и БАС.

Теперь исследователи из Технологического института Стивенса, Стэнфордского и Оксфордского университетов разработали новую модель, которая исследует, как эти инфекционные семена распространяются через неровную структуру мозга. Он демонстрирует, что распределение токсичных молекул при всех заболеваниях зависит от места, в котором эти молекулы впервые появились.

Моделирование показывает, что повреждение мозга происходит в основном из-за удаления из организма клеток мозга, поврежденных физическим воздействием. Авторы считают, что их инструмент поможет ученым заблокировать прогрессирование серьезных заболеваний головного мозга.

Модель игнорирует биохимию

При многих нейродегенеративных заболеваниях исходные токсичные молекулы остаются непрозрачными, но они копируют себя и укладываются определенным образом. Болезнь прогрессирует по мере того, как деформированные белки проходят через мозг и собираются в комочки и волокна.

Эта новая модель игнорирует биохимические и клеточные механизмы и просто представляет фундаментальные процессы размножения и увеличения количества вредных белков.

Вместо того, чтобы путешествовать через жидкость за пределы клеток, токсичные молекулы в головном мозге перемещаются через нейроны (сеть нервных клеток). Каждая нервная клетка состоит из ядра и аксона, передающего электрические сигналы другим нервным клеткам. Аксоны составляют большую часть белого вещества мозга, тогда как их клеточные тела содержат основную часть серого вещества.

Ссылка:APS Physics | doi:10.1103 / PhysRevLett.121.158101 | Оксфордский университет

В этой модели токсичные молекулы диффундируют вдоль аксонов с определенной скоростью и проходят через белое вещество. Они также диффундируют во внеклеточные области, но гораздо медленнее. В сером веществе эти молекулы изотропно диффундируют со средней скоростью. Как только они проникают в новую область, они создают свои копии с определенной скоростью, которая зависит от количества токсичных белков, присутствующих в этих областях.

Моделирование токсичных белков в мозге

Клинические данные (вверху) и моделирование (внизу) | стрелки показывают распространение токсичных белков при болезни Альцгеймера | Фото:А. Горили / Оксфордский университет

Чтобы создать моделирование с высоким разрешением как в 2D, так и в 3D, авторы использовали МРТ-сканирование мозга взрослого человека. Двухмерное компьютерное моделирование выполнялось в виде вертикальных срезов (из стороны в сторону или спереди назад), а трехмерное моделирование охватило весь мозг.

Затем они составили карту клинических данных о прогрессировании болезней Паркинсона и Альцгеймера. Согласно этим данным, токсичные белки исходят из определенного места и распространяются определенным образом. Автор скормил эти начальные условия своим симуляциям, и они обнаружили, что симуляции точно воссоздают паттерн, связанный с каждым заболеванием.

Читайте:Беспрецедентный взгляд на человеческий мозг, полученный с помощью осколков органа

Модель может помочь ученым узнать больше о биохимии, принимая во внимание ее физические аспекты. Моделирование ясно показывает, что диффузия играет важную роль в прогрессировании нейродегенеративных расстройств. Это может дать новые направления для будущих междисциплинарных исследований.