Физическая активность заставила мышей буквально шевелить мозгами

Центральная нервная система лишена обычных лимфатических сосудов. Чтобы избавляться от продуктов обмена веществ, мозг постоянно прокачивает через свои ткани жидкости, и для этого нужно механическое движение самих полушарий. Так как череп и позвоночник кажутся надежным костным барьером, источник внешней физической силы оставался загадкой.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Neuroscience, отследили движения мозга. Нейробиологи зафиксировали головы мышей над беговой дорожкой. В кости черепа сделали «окна»: на поверхность нанесли флуоресцентные микросферы, а нейроны под костью заставили светиться с помощью вирусного вектора. Ученые направили на этот участок двухфотонный микроскоп, оснащенный электрически перестраиваемой жидкой линзой. Она меняла кривизну 40 раз в секунду, позволяя фокусу мгновенно перескакивать от черепа к мозгу и фиксировать их взаимное смещение. Параллельно исследователи вживили электроды в мышцы живота животных для записи электромиограммы (ЭМГ).

Для поиска анатомической связи между телом и головой исследователи заполнили кровеносную систему мышей рентгеноконтрастным веществом и просканировали позвоночник с помощью микрокомпьютерной томографии. В качестве финальной проверки для спящих мышей сшили крошечный пневматический пояс. Манжету надевали на живот и на две секунды надували, искусственно имитируя напряжение пресса и исключая реальную мышечную работу.

Оказалось, что при переходе с шага на бег мозг мыши смещается вперед и вбок примерно на один микрометр относительно черепа. Движение тканей не зависело от дыхания или сердечного ритма. Разгадка крылась во времени: мозг начинал двигаться за доли секунды до того, как животное делало первый шаг на беговой дорожке. Он механически реагировал на предварительное сокращение мышц живота — мышь напрягала кор, чтобы стабилизировать тело перед рывком.

На снимках микро-КТ биологи увидели причину этого явления. В поясничных и крестцовых позвонках испытуемых обнаружили микроскопические отверстия, через которые вены напрямую соединяют брюшную полость со спинномозговым каналом. Когда мышцы пресса сокращаются, часть крови из живота устремляется в позвоночник и переполняет местную венозную сеть. Раздувшиеся вены сдавливают дуральный мешок (оболочку спинного мозга) и, как из тюбика, выталкивают спинномозговую жидкость вверх, в череп. Эксперимент с пневматическим поясом это подтвердил: внешнее сдавливание живота заставило мозг спящей мыши двигаться точно так же, как во время пробежки.

Компьютерное моделирование показало, что такие толчки работают словно помпа. Давление из живота создает потоки, которые выдавливают отработанную жидкость из паренхимы мозга в субарахноидальное пространство.

Исследование показало, что головной мозг связан с брюшной полостью единой гидравлической системой. Хотя пока процесс детально описали только на мышиной модели, он объясняет, почему у людей внутричерепное давление реагирует на натуживание, кашель или глубокое дыхание животом. Сокращения пресса заставляют ликвор циркулировать и тем самым помогают очищать мозг от отходов жизнедеятельности.