Движение брюшной полости и мозга

 Мозг перемещается внутри черепа, но движущие силы и последствия этого движения недостаточно изучены. Движение мозга было направлено преимущественно рострально и латерально и тесно коррелировало с локомоцией, но не с дыханием или сердечным циклом. В частности, движение мозга было обусловлено сокращениями мышц брюшной полости, которые активируют гидравлическую сосудистую связь между нервной системой и брюшной полостью, и могло быть аналогично вызвано давлением, приложенным к брюшной полости. Моделирование предполагает, что движение мозга может перемещать интерстициальную жидкость через мозг и из мозга в субарахноидальное пространство в направлении, противоположном потоку жидкости, наблюдаемому во время сна. Эти результаты свидетельствуют о том, что мозг механически связан с брюшной полостью и что поток жидкости в мозге может быть связан с движениями тела.

В исследовании показали, что движение мозга внутри черепа обусловлено сокращениями мышц брюшной полости посредством механической связи с брюшиной. Моделирование предполагает, что это движение мозга может способствовать циркуляции спинномозговой жидкости.

У животных под наркозом и у людей в положении лежа движение мозга тесно связано с сердечными сокращениями и дыханием 3 , 4 , но у животных без наркоза движение мозга обычно ассоциируется с локомоцией и другими движениями тела 2 , 5.

Для движения мозга необходимо приложить силу, но центральная нервная система считается в значительной степени механически изолированной от остальной части тела черепом и позвонками. Несмотря на это разделение, во время движения внутричерепное давление у мышей повышается с базового уровня ~5 мм рт. ст. до более чем 20 мм рт. ст. (ссылки 8 , 9 ), что указывает на быстрое приложение значительных механических сил к мозгу во время движений тела. 

Повышение внутричерепного давления во время движения не связано с расширением кровеносных сосудов в мозге, поскольку гемодинамический ответ отстает как от повышения давления, так и от начала движения примерно на 1 с (ссылки 10 , 11 ). Более того, максимальное расширение сосудов мозга не приводит к повышению внутричерепного давления до уровней, наблюдаемых во время движения 8 . 

Эти изменения давления вряд ли являются просто эпифеноменом, поскольку движение мозга во время передвижения возбуждает сенсорные нейроны в твердой мозговой оболочке¹² , что указывает на то, что движение мозга активно контролируется и может играть физиологическую роль.

Поскольку в головном мозге отсутствует внутренняя лимфатическая система для удаления отходов, он зависит от механических сил, воздействующих на него посредством пульсации¹³ и расширения и сужения¹⁴⁻¹⁶ артерий , которые помогают циркулировать жидкости через глифатическую систему вдоль периартериального пространства в паренхиму.

Во время сна СМЖ поступает в головной мозг вдоль периартериальных пространств проникающих артерий за счет медленного, попеременного расширения и сужения сосуда¹⁷⁻²⁰ . Характер потока жидкости в головном мозге заметно отличается от такового у бодрствующего животного, где трассеры не проникают в кору²¹ , хотя причины этого различия между потоком СМЖ во сне и бодрствовании до конца не изучены. Большие силы, приводящие в движение мозг, вероятно , также приводят в движение СМЖ, возможно, по совершенно иным схемам, чем те, которые наблюдаются во время сна. Для понимания этих потоков жидкости необходимо детальное изучение механической динамики головного мозга.

Однако движения мозга, связанные с дыханием, были обнаружены при глубокой анестезии изофлураном (дополнительные данные, рис. 5 и дополнительное видео 5 )

результаты показывают, что у бодрствующих мышей локомоция связана с движением мозга, тогда как дыхание и частота сердечных сокращений не вносят существенного вклада в движение мозга. Однако движение мозга часто предшествовало началу локомоции, что позволяет предположить, что сама по себе локомоция не вызывает движения мозга внутри черепа.

Мы предположили, что сокращения мышц брюшного пресса могут способствовать движению мозга, поскольку движениям предшествует активация мышц брюшного пресса для укрепления корпуса в ожидании движения тела. 

Наша работа предполагает, что мозг не изолирован механически от тела, а скорее тесно связан с брюшной полостью, вероятно, через вентрикулярную портальную вену (ВВП). Считается, что у человека ВВП помогает буферизовать внутричерепное давление³¹ , но ее роль у грызунов вызывает недоумение, поскольку градиенты гидростатического давления у мыши будут намного меньше, чем у человека, как в целом, так и относительно их артериального давления. 

Эта гидравлическая система может генерировать движение мозга внутри черепа и выталкивать спинномозговую жидкость из мозга в субарахноидальное пространство. Моделирование показывает, что движение мозга, вызванное этой механической связью, выталкивает жидкость из мозга, потенциально объясняя, почему введенные трассеры не проникают в кору головного мозга у бодрствующих животных, но легко проникают во время сна²¹ . 

Натяжение спинномозговых нервов⁴³ во время двигательного акта передвижения вряд ли могло вызвать движение мозга в этом эксперименте, поскольку мы наблюдали движение мозга в отсутствие изменений конфигурации тела, и мы видим связанное с дыханием движение мозга, когда мышцы живота задействованы во время глубокого дыхания под глубокой анестезией. 

Наши симуляции с упрощенной геометрией мозга показывают, что движение мозга наблюдаемой величины может быть вызвано силой, оказываемой VVP на спинной мозг (расширенные данные, рис. 7f ).

В нашем исследовании есть несколько оговорок. Одна из них заключается в том, что головы мышей были зафиксированы, что предотвращало воздействие на мозг нормальных сил, возникающих при движении головы. Однако силы, создаваемые движением головы у мышей, значительно меньше, чем силы, создаваемые внутричерепным давлением и изменениями внутричерепного давления.

Мы визуализировали только дорсальную часть мозга, и почти наверняка движение и/или деформация присутствуют в подкорковых областях и, возможно, в области вокруг сагиттального синуса. Поскольку мы визуализируем лишь небольшое поле зрения, мы не смогли бы обнаружить какие-либо небольшие деформации, которые, интегрированные по всему мозгу, могли бы способствовать наблюдаемому движению. 

Наши результаты указывают на потенциальную связь между состоянием мозга и внутренних органов, опосредованную внутрибрюшным давлением. 

Помимо движений мозга, вызванных сердечными сокращениями 4 , дыхание 47 (которое вызывает изменения внутрибрюшного давления из-за давления диафрагмы на внутренние органы) и маневр Вальсальвы 48 , 49 (который задействует мышцы живота) также могут вызывать движения мозга. 

Амплитуда и характер движений мозга могут изменяться при таких патологиях, как внутричерепная гипертензия, менингиома и мальформация Киари 46 , 50–52 , что предполагает возможность использования движений мозга в качестве биомаркера 46. 

Ожирение 53 повышает внутрибрюшное давление, что может нарушить нормальный кровоток между брюшной полостью и спинномозговым каналом и/или привести к ремоделированию венозного протока. Изменение кровотока и градиентов давления между брюшной полостью и спинномозговым каналом может уменьшить движение головного мозга и циркуляцию спинномозговой жидкости, способствуя неблагоприятному воздействию ожирения на когнитивные функции 54.

Снижение внутрибрюшного давления посредством мочеиспускания или дефекации 55 может частично способствовать их влиянию на когнитивные функции 56 , 57.

Механическая связь между брюшной полостью и головным мозгом особенно интересна, учитывая функциональные механочувствительные каналы в нейронах ЦНС 58 и глиальных клетках 59 , поскольку силы, вызывающие движение головного мозга, могут также активировать механочувствительные каналы в головном мозге.

В дополнение к интероцептивным путям во внутренних органах, прямая передача сигналов через механические силы в головной мозг может играть роль в передаче информации о внутренних состояниях головного мозга.