Vedci pomocou umelej inteligencie odhalili pozoruhodný dvojfázový čistiaci systém, ktorý pomáha spiacemu mozgu odstraňovať škodlivé odpadové látky.
Náš mozog sa počas spánku zbavuje najväčších nečistôt. Zdroj: iStock/gorodenkoff
Počas hlbokého spánku sa v mozgu a okolo neho pohybuje vode podobná tekutina, ktorá pomáha odstraňovať metabolické odpadové látky spojené s poruchami, medzi ktoré patrí aj Alzheimerova choroba. Tento čistiaci proces je známy ako glymfatický systém. Po prvýkrát ho v roku 2012 opísala Maiken Nedergaardová, priekopníčka v oblasti neurovied a spoluriaditeľka Centra pre translačnú neuromedicínu na Rochesterskej univerzite.
Hoci vedci zistili veľa informácií o glymfatickom systéme, stále zostávajú dôležité otázky týkajúce sa toho, ako vlastne funguje. Jednou z najväčších neistôt je rýchlosť, akou sa tekutina pohybuje rôznymi časťami mozgu. Meranie takejto pomalej cirkulácie v živom mozgu je obzvlášť náročné, pretože výskumníci ju musia pozorovať bez toho, aby spôsobili trvalé poškodenie.
„Dokážeme nasmerovať mikroskop na malú oblasť mozgu a veľmi podrobne sledovať, čo sa tam deje. S týmto typom údajov sme v minulosti pracovali, ale ide len o nepatrný pohľad na celkový proces,“ hovorí profesor Douglas Kelley z Katedry strojného inžinierstva Rochesterskej univerzity. „Ak chceme zobraziť celý mozog, magnetická rezonancia je skvelým prístupom, pretože poskytuje trojrozmerný pohľad. Má však aj vážne obmedzenia, z ktorých najväčším je to, že nezachytáva rýchlosť toku tekutiny, aspoň nie v prípade takýchto pomalých tokov.“
Nová štúdia, uverejnená v časopise Science Advances, opisuje metódu, ktorá využíva umelú inteligenciu založenú na fyzikálnych princípoch na odhad rýchlostí prúdenia tekutín z údajov získaných magnetickou rezonanciou (MRI).
Výskumníci trénovali neurónové siete pomocou videí, ktoré zachytávali šírenie farbiva mozgovým tkanivom v priebehu času. Na základe týchto zmien dokázali modely umelej inteligencie odhadnúť nielen rýchlosť tekutiny, ale aj priepustnosť okolitého mozgového tkaniva.
Čistiaci systém mozgu má dve rýchlosti
Výsledky odhalili dve hlavné cesty, ktorými glymfatický systém pomáha odstraňovať častice z mozgu vrátane amyloidných beta proteínov spojených s Alzheimerovou chorobou. Výskumníci zistili, že tieto cesty fungujú s výrazne odlišnými rýchlosťami.
V otvorenejších oblastiach okolo mozgu vrátane priestoru medzi lebkou a povrchom mozgu sa táto tekutina podobná vode pohybuje rýchlosťou niekoľkých mikrónov za sekundu. V hlbších častiach mozgového tkaniva sa však tekutina pohybuje oveľa pomalšie, a to približne 50-krát nižšou rýchlosťou.
Tento veľký rozdiel v rýchlosti poskytuje výskumníkom jasnejší obraz o tom, ako sa môžu odpadové látky transportovať rôznymi prostrediami v mozgu. Tekutina sa môže pohybovať relatívne rýchlo otvorenými priestormi, zatiaľ čo jej pohyb hustým mozgovým tkanivom je oveľa pomalší.
V súčasnosti sa výskumný tím zameriava na stanovenie základných meraní toku mozgových tekutín v prípade zvierat, ako sú myši. Tieto merania pomáhajú výskumníkom zdokonaľovať a vylepšovať nástroje umelej inteligencie.
Nakoniec dúfajú, že budú môcť porovnať glymfatickú cirkuláciu v zdravých a chorých mozgoch, ako aj v mozgoch mladých a starých ľudí. Hlavným dlhodobým cieľom je rozšíriť túto techniku aj na ľudí.
„Usilovne pracujeme na tom, aby sme dokázali merať tok tekutín podobných vode v ľudskom mozgu a v jeho okolí, pretože vtedy budú klinické aplikácie oveľa dôležitejšie a zaujímavejšie,“ hovorí profesor Douglas Kelley.
„Dúfame, že jedného dňa budeme schopní zistiť, či má pacient s Alzheimerovou chorobou zhoršenú cirkuláciu v mozgu, alebo dokonca budeme schopní skríningom odhaliť zhoršenú cirkuláciu už v skoršom veku, aby sme sa pokúsili odvrátiť Alzheimerovu chorobu. Alebo by sme mohli skontrolovať, či má niekto po otrase mozgu narušený obeh tekutín v mozgu. Táto štúdia nás k tomu priblížila o krok bližšie.“
Ak sa výskumníkom nakoniec podarí spoľahlivo merať tieto pomalé pohyby tekutín u ľudí, táto technika by mohla ponúknuť nový spôsob, ako skúmať, či sa prirodzený obeh mozgu, ktorý slúži na odstraňovanie odpadových látok, mení v dôsledku Alzheimerovej choroby, starnutia alebo traumatického poranenia mozgu.
Zdroj: SciTech Daily
(RR)
