Новое исследование, опубликованное сегодня в Journal of Neuroscience, показывает, что черепно-мозговая травма может нарушить работу системы удаления отходов мозга. Когда это происходит, токсичные белки могут накапливаться в головном мозге, создавая основу для возникновения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и хроническая травматическая энцефалопатия.
"Мы знаем, что черепно-мозговая травма в раннем возрасте является фактором риска раннего развития деменции в последующие десятилетия," сказал Майкен Недергаард, М.D., D.M.Sc., содиректор Центра трансляционной нейромедицины Университета Рочестера и старший автор статьи. "Это исследование показывает, что эти травмы приводят в действие каскадную серию событий, которые ухудшают способность мозга очищать отходы, позволяя таким белкам, как тау, распространяться по всему мозгу и в конечном итоге достигать токсичных уровней."
Полученные данные являются последними из серии новых открытий, которые коренным образом меняют то, как ученые понимают неврологические расстройства. Эти открытия стали возможными благодаря исследованию, опубликованному в 2012 году, в котором Недергаард и ее коллеги описали ранее неизвестную систему удаления отходов, уникальную для мозга, которую исследователи назвали глимфатической системой.
Мозг по существу закрыт от остального тела сложной системой молекулярных шлюзов, называемых гематоэнцефалическим барьером, которые жестко контролируют то, что входит и выходит из мозга. Следовательно, нормальная система удаления отходов организма не распространяется на мозг.
Как и в случае с остальным телом, своевременное удаление отходов из мозга важно для предотвращения неконтролируемого накопления токсичных белков и другого мусора. Однако до недавнего времени никому не было до конца ясно, как мозг справился с этой задачей.
Недергаард и ее коллеги показали, что мыши, чей мозг удивительно похож на человеческий, обладают водопроводной системой, которая подключается к кровеносным сосудам для перекачивания спинномозговой жидкости (CSF), жидкости, окружающей мозг, через ткани мозга, смывая отходы из промежутков между клетками мозга.
Недавние исследования показали, что глимфатическая система более активна во время сна, что может объяснить, почему сон так освежает разум и что ее функция с возрастом ухудшается.
"Неисправность глимфатической системы может быть одной из причин того, что стареющий мозг настолько уязвим для таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера," сказал Джеффри Илифф, доктор философии.D., соавтор исследования, член исследовательской группы Недергаарда и доцент Орегонского университета здравоохранения и науки. "Поразительно, что те же изменения, которые мы наблюдаем в стареющем мозге, отражаются в молодом мозге после черепно-мозговой травмы. Это предполагает, что эти события могут быть общей связью с нейродегенерацией между тем, что происходит у пожилых людей, и тем, что происходит после травмы головного мозга."
Новое исследование фокусируется на влиянии черепно-мозговой травмы на глимфатическую систему. Давно наблюдалось, что белок тау играет важную роль в долгосрочном повреждении мозга после травмы. Тау помогает стабилизировать волокна или аксоны, которые нервные клетки отправляют для связи со своими соседями.
Однако во время травмы большое количество этих белков высвобождается из аксонов и перемещается в пространстве между клетками мозга. После отделения от нервных клеток эти липкие белки притягиваются друг к другу и со временем образуют все более крупные "путаница" которые могут стать токсичными для функции мозга.
В нормальных условиях глимфатическая система способна очищать головной мозг от паразитов. Однако, когда исследователи изучили мозг мышей с черепно-мозговой травмой, они обнаружили, что травма повредила глимфатическую систему, в частности, способность астроцитов – опорной клетки, обнаруженной в головном мозге, – регулировать процесс очистки.
Астроциты играют решающую роль в организации потока спинномозговой жидкости в мозг. Ответвления от клеток окружают кровеносные сосуды головного мозга, образуя пространство – по сути, трубу в трубе, – в которую спинномозговая жидкость может следовать по пути кровеносных сосудов и течь внутрь мозга. Ветви астроцитов, образующие внешнюю "трубка" выстланы огромным количеством структур, известных как водные каналы или аквапорины, которые помогают обеспечить эффективный поток спинномозговой жидкости по кровеносным сосудам в мозг и из него. Исследователи заметили, что после черепно-мозговой травмы аквапорины теряют свою организацию, нарушая поступление спинномозговой жидкости в мозг.
"Чтобы избавиться от шлаков, глимфатическая система должна прокачивать спинномозговую жидкость через мозг," сказал Недергаард. "Это исследование, казалось бы, указывает на то, что система очень хрупкая и что небольшие изменения в организации водных каналов могут привести к потере ее функции."
Спустя долгое время после травмы исследователи отметили, что избыток тау не выводился из мозга животных и что тау начал накапливаться по всему мозгу. У животных с нарушенными водными каналами аквапоринов тау накапливается гораздо быстрее.
Исследователи также попросили животных провести серию экспериментов, чтобы проверить их память и когнитивные способности. Все животные с черепно-мозговой травмой показали гораздо худшие результаты, чем контрольная группа. Животные с нарушенной функцией водных каналов чувствовали себя еще хуже и не показывали никаких улучшений с течением времени.
"В течение долгого времени мы рассматривали нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, как проблему снабжения, что означает, что мы полагали, что мозг вырабатывает слишком много тау или бета-амилоида," сказал Бенджамин Плог, M.D./ Ph.D. студент лаборатории Недергаарда и соавтор исследования. "Теперь выясняется, что эти условия могут в конечном итоге быть связаны с проблемой очистки, когда что-то мешает глимфатической системе достаточно быстро удалить отходы из мозга."