Высокоразрешающие симуляции мозга раскрывают, как инфекционные семена распространяются в нейродегенеративных заболеваниях

• Новая модель изучает, как инфекционные семена диффундируют через неровную структуру мозга.
• Исследователи использовали МРТ-сканы взрослого мозга для создания высокоразрешающих симуляций в 2D и 3D.
• Эти симуляции воссоздают паттерн повреждений, наблюдаемый во множестве нейродегенеративных расстройств.

Нейродегенеративные заболевания, связанные с возрастом, являются многоаспектными и сложными патологиями. В большинстве случаев их прогрессирование тесно связано с развитием определенных белковых агрегатов, известных как príоны.

Príоны — это инфекционные семена, которые запускают цепную реакцию агрегации и неправильного сворачивания белков, производя конформационную автокатализацию. Постепенно эти семена расширяются, фрагментируются и распространяются в другие области мозга. Это влияет на нормальное функционирование нервной системы и вызывает мозговую атрофию, некроз и в конечном итоге смерть. Именно это происходит при болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера и АЛС.

Теперь исследователи из Технологического института Стивенса, Стэнфордского университета и Оксфордского университета разработали новую модель, которая изучает, как эти инфекционные семена диффундируют через неровную структуру мозга. Она демонстрирует, что распределение токсичных молекул во всех заболеваниях зависит от локации, в которой эти молекулы впервые появились.

Симуляции указывают, что повреждение мозга происходит в основном из-за удаления организмом мозговых клеток, поврежденных физическим воздействием. Авторы верят, что их инструмент поможет ученым заблокировать прогрессирование серьезных расстройств мозга.

Модель игнорирует биохимию

Во многих нейродегенеративных заболеваниях исходные токсичные молекулы остаются неясными, но они копируют себя, сворачиваясь неправильно определенным образом. Заболевание прогрессирует по мере того, как деформированные белки распространяются через мозг и агрегируются в комки и волокна.

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

Вместо перемещения через внеклеточную жидкость, токсичные молекулы в мозге движутся через нейроны (сеть нервных клеток). Каждая нервная клетка состоит из ядра и аксона, который передает электрические сигналы другим нервным клеткам. Аксоны составляют большую часть белого вещества мозга, в то время как их тела клеток содержат основную массу серого вещества.

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

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

Симуляция токсичных белков внутри мозга

Клинические данные (сверху) vs. симуляция (снизу) | стрелки показывают распространение токсичных белков при болезни Альцгеймера | Источник: A. Goriely / Оксфордский университет

Для создания высокоразрешающих симуляций в 2D и 3D авторы использовали МРТ-сканы взрослого мозга. 2D-компьютерные симуляции выполнялись в вертикальных срезах (либо сбоку, либо спереди назад), а 3D-симуляции охватывали весь мозг.

Затем они отобразили клинические данные прогрессирования болезни Паркинсона и болезни Альцгеймера. Согласно этим данным, токсичные белки начинаются в определенной локации и распространяются по специфическому паттерну. Авторы загрузили эти начальные условия в свои симуляции и обнаружили, что симуляции точно воссоздали паттерн, ассоциированный с каждым расстройством.

Читайте также: беспрецедентный взгляд на человеческий мозг, полученный через органы на чипе

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