Ajukahjustuse arvutimudelid kaardistavad aju veresooni seni kõrgeima eraldusvõimega

Ajukahjustuse arvutimudelid kaardistavad aju veresooni seni kõrgeima eraldusvõimega

Imperaatori teadlased on loonud traumaatilise ajukahjustuse (TBI) arvutimudeli, mis kaardistab roti aju veresooni seni kõrgeima eraldusvõimega.

Nad ütlevad, et mudelid võivad aidata parandada meie arusaamist sellest, kuidas TBI mõjutab veresooni, samuti selle mõju kaitsekihile, mis neid ümbritseb, mida nimetatakse vere-aju barjääriks (BBB), mis kaitseb aju kahjulike ringlevate molekulide ja patogeenide eest .

Kui meetodid tõlgenduvad hästi inimese ajule, võivad need aidata meil paremini mõista TBI-de arengut ning kuidas neid kõige paremini ravida ja nende eest kaitsta. Simulatsioonid võivad isegi aidata TBI loomamudeleid asendada, vähendades potentsiaalselt loomade kasutamist ajuuuringutes.

TBI-d on alla 40-aastaste kroonilise puude kõige levinum põhjus ja tulenevad tõsistest löökidest või peast põrutamisest - tavaliselt liiklusintsidentide, kukkumiste ja rünnakute ajal. Sümptomiteks võivad olla peavalud, pearinglus, väsimus, ärrituvus ja mäluhäired.

Alates löögikohast liiguvad mehaanilised jõud lainetena läbi aju, keerates, venitades ja lõikades aju struktuure, kui vigastus kaskaadib. Need jõud mõjutavad teadaolevalt veresooni, kuid mehaaniliste jõudude ja vaskulaarse vigastuse vaheliste seoste täpsemad üksikasjad on veel kinnitamata.

Nüüd on Londoni Imperial College'i teadlased loonud TBI arvutimudeli, mis kaardistab aju veresoonte võrgu - seda nimetatakse veresoonkonnaks - seni kõrgeima eraldusvõimega, hõlmates vaid 10 mikronise läbimõõduga roti aju veresooni.

Mudeleid kasutades leidsid nad, et külgnevad veresooned kannatavad sügavalt erineva stressitasemega, sõltuvalt nende joondumisest naabersoontega. Vähem tõenäoline oli, et teiste veresoonte suhtes 90 ° nurga all olevad veresooned kahjustuvad ja veresooni saab vigastusteta venitada kuni 14 protsendini nende algsest pikkusest, samas kui selle võrra suurem venitamine tekitaks vigastusi.

Juhtiv autor dr Siamak Khosroshahi, kes viis selle töö läbi Imperiali Dysoni disainitehnika koolis, ütles: „Meie ainulaadne lähenemisviis selgitab veresoonte anatoomia ja nihkepingete tundmatut rolli selles, kuidas suured jõud aju läbi kaskaadivad. See uus arusaam võib aidata kaasa TBI diagnoosimise ja ennetamise parandamisele. "

Seda, mil määral BBB molekulid ajusse laseb, nimetatakse läbilaskvuseks. Barjäär võib pärast vigastust muutuda läbilaskvamaks, mistõttu on tõenäoline, et see laseb põletikueelsetel molekulidel jõuda ajju ja juhatab edasisi vigastusi.

Kaasautor dr Magdalena Sastre ajuteaduste osakonnast ütles: "Vaskulaarse kahjustuse uurimine peavigastuse korral on oluline, kuna kahjustatud vere-aju barjäär võib kahjulikke molekule sisse lasta, mis halvendab esialgset vigastust."

Kasutades TBI rotimudeleid, näitasid autorid, et veresoonte purunemise tagajärjel tekib TBI-s suurem BBB läbilaskvus ja see on kõige ilmekam varsti pärast vigastust.

Selle teabe põhjal lõid nad ajumudelid digitaalselt piisavalt suure eraldusvõimega, et rõhutada veresooni. Nad leidsid, et arvutimudelid võimaldasid neil täpselt ennustada stressi jaotumist roti aju väikestes veresoontes. Mudelid võimaldasid neil aeglustada ka aega, et TBI üksikasju lähemalt uurida.

Ajukahjustuse arvutimudelid kaardistavad aju veresooni seni kõrgeima eraldusvõimega

Vanemautor dr Mazdak Ghajari, samuti Imperiali Dysoni disainitehnikast, ütles: „Vigastus juhtub sekundi murdosa jooksul, mistõttu on raske täpselt jälgida, mis toimub. Protsessi aeglustades saame täpselt kindlaks teha, millised ajupiirkonnad kannatavad kõige rohkem kahjustusi, ja saame mingil viisil aru, miks. "

Kaasautor professor David Sharp, samuti ajuteaduste osakonnast, ütles: „See põnev uus mudel annab ülevaate peavigastuste põhjustamisest ajuverejooksuni. Meie suuremad traumakeskused on loodud kolju verejooksu kiireks juhtimiseks, kuna see võib olla eluohtlik. Kuid me ei saa aru, kuidas peavigastused põhjustavad erinevat tüüpi veritsust, mis piirab meie võimet ennustada, millised peavigastused võivad tõenäoliselt põhjustada verejooksu. Selle mudeli väljatöötamine on oluline samm selle olulise protsessi mõistmisel. ”

Uued suure eraldusvõimega arvutisimulatsioonid võiksid pakkuda looma TBI-de uurimiseks, kasutades rohkem arvuteid ja vähem loomseid mudeleid, vastavalt loomauuringute asendamise, vähendamise ja täiustamise (3R) põhimõtetele.

Teadlaste sõnul võivad nende mudelid pakkuda ka objektiivsemat viisi selliste kaitsesüsteemide hindamiseks nagu kiivrid. Tulemuste kinnitamiseks, enne nende kasutamist inimeste vigastusriski prognoosimiseks, on vaja ka tulevasi uuringuid inimestel, mis hõlmavad TBI biomehaanika üksikasjalikke rekonstruktsioone.

Parem arusaam BBB-st võib aidata edasi uurida ka ajuspetsiifiliste ravimite ravimite kohaletoimetamist.

Seda uuringut rahastasid Wellcome Trust ja Briti kuninglik leegioni lõhkekahjustuste uuringute keskus Imperial College Londonis.

"Aju veresoonte vigastuse multiskaala modelleerimine näitab vaskulaarse anatoomia ja parenhümaalsete nihkepingete rolli", autor Siamak Farajzadeh Khosroshahi jt, avaldatud 21. juunil 2021 Teaduslikud aruanded.