Ροή Εγκεφαλονωτιαίου Υγρού:Διαλύοντας το Σύστημα Απομάκρυνσης Αποβλήτων του Εγκεφάλου

Μια δημοφιλής υπόθεση για το πώς ο εγκέφαλος καθαρίζει τα μοριακά απόβλητα, η οποία μπορεί να εξηγήσει γιατί ο ύπνος είναι αναζωογονητικός, αποτελεί αντικείμενο συζήτησης.

Κανείς δεν ξέρει γιατί το εγκεφαλονωτιαίο υγρό κυκλοφορεί μέσα και γύρω από τον εγκέφαλό μας ή τι κατευθύνει τη ροή του.

Chanelle Nibbelink για το Quanta Magazine

Εισαγωγή

Εγκλωβισμένος στο κρανίο, σκαρφαλωμένος στην κορυφή της σπονδυλικής στήλης, ο εγκέφαλος έχει μια προσεκτικά διαχειριζόμενη ύπαρξη. Λαμβάνει μόνο ορισμένα θρεπτικά συστατικά, τα οποία φιλτράρονται μέσω του αιματοεγκεφαλικού φραγμού. ένα περίτεχνο σύστημα προστατευτικών μεμβρανών το περιβάλλει. Αυτός ο προνομιακός χώρος περιέχει ένα μυστήριο. Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι επιστήμονες αναρωτιούνται:Αν είναι τόσο δύσκολο να μπει κάτι στον εγκέφαλο, πώς βγαίνουν τα απόβλητα;

Ο εγκέφαλος έχει έναν από τους υψηλότερους μεταβολισμούς από οποιοδήποτε όργανο του σώματος και αυτή η διαδικασία πρέπει να παράγει υποπροϊόντα που πρέπει να αφαιρεθούν. Στο υπόλοιπο σώμα, τα αιμοφόρα αγγεία σκιάζονται από ένα σύστημα λεμφικών αγγείων. Τα μόρια που έχουν εξυπηρετήσει το σκοπό τους στο αίμα κινούνται σε αυτούς τους σωλήνες γεμάτους με υγρό και παρασύρονται στους λεμφαδένες για επεξεργασία. Όμως τα αιμοφόρα αγγεία στον εγκέφαλο δεν έχουν τέτοια διέξοδο. Αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα από αυτά, λέγονται όλα, φαίνεται να περνούν μέσα από αυτόν τον πυκνό, πολυάσχολο ιστό που λειτουργεί χωρίς αντίστοιχο σύστημα απορριμμάτων.

Ωστόσο, τα αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου περιβάλλονται από ανοιχτούς χώρους γεμάτους με υγρά. Τις τελευταίες δεκαετίες, το εγκεφαλονωτιαίο υγρό, ή ΕΝΥ, σε αυτούς τους χώρους έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον. «Ίσως το ΕΝΥ μπορεί να είναι ένας αυτοκινητόδρομος, κατά κάποιο τρόπο, για τη ροή ή την ανταλλαγή διαφορετικών πραγμάτων μέσα στον εγκέφαλο», είπε ο Στίβεν Προυλξ, ο οποίος μελετά το σύστημα ΕΝΥ στο Πανεπιστήμιο της Βέρνης.

Μια πρόσφατη εργασία στο Κελί περιέχει μια νέα αναφορά για το τι συμβαίνει γύρω από τον εγκέφαλο και στις κρυφές κοιλότητες του. Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ με επικεφαλής τον νευρολόγο Maiken Nedergaard ρώτησε εάν η αργή άντληση των αιμοφόρων αγγείων του εγκεφάλου μπορεί να είναι σε θέση να ωθήσει το υγρό γύρω, μεταξύ, και σε ορισμένες περιπτώσεις μέσω των κυττάρων, για να οδηγήσει δυνητικά ένα σύστημα παροχέτευσης. Σε ένα μοντέλο ποντικιού, οι ερευνητές έγχυσαν μια λαμπερή χρωστική στο ΕΝΥ, χειρίστηκαν τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων για να ενεργοποιήσουν μια ενέργεια άντλησης και είδαν τη συγκέντρωση της χρωστικής να αυξάνεται στον εγκέφαλο αμέσως μετά. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η κίνηση των αιμοφόρων αγγείων μπορεί να είναι αρκετή για να μετακινήσει το εγκεφαλονωτιαίο υγρό, και πιθανώς τα απόβλητα του εγκεφάλου, σε μεγάλες αποστάσεις.

Η ομάδα έκανε ένα ακόμη βήμα στην ερμηνεία της. Επειδή αυτό το είδος άντλησης - διαφορετικό από τον γνωστό παλμό από την καρδιά - παρατηρείται τακτικά κατά τη διάρκεια του ύπνου, προτείνουν ότι ίσως οι παρατηρήσεις τους μπορούν να εξηγήσουν γιατί ο ύπνος είναι αναζωογονητικός. Αλλά είναι μια υπόθεση ότι δεν συμφωνούν όλοι ότι είναι καλά θεμελιωμένη. Όταν πρόκειται να αποδοθεί σκοπός στο υγρό που κινείται μέσω του εγκεφάλου, πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι η αλήθεια είναι ακόμα άγνωστη.

Διαρροή εγκεφάλων

Στο κέντρο του εγκεφάλου υπάρχουν πλημμυρισμένα σπήλαια, σαν μεγάλες στέρνες τυλιγμένες στο σκοτάδι, που ονομάζονται κοιλίες. Το εγκεφαλονωτιαίο υγρό διαρρέει από τα τοιχώματα της κοιλίας και στη συνέχεια μετακινείται. Υπό πίεση, αναδύεται αλλού μέσα στο κρανίο, ρέει στον αυχένα και εισέρχεται στη σπονδυλική στήλη.

Η «γλυμφική υπόθεση» του νευρολόγου Maiken Nedergaard προτείνει ότι το εγκεφαλονωτιαίο υγρό βοηθά στην αποστράγγιση των αποβλήτων από τον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια του ύπνου. Τα αποδεικτικά της στοιχεία συζητούνται έντονα.

Adam Fenster, Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ

Οι επιστήμονες γνωρίζουν για περισσότερο από έναν αιώνα ότι, τη στιγμή του θανάτου, το ΕΝΥ ρέει από τη σπονδυλική στήλη στον εγκέφαλο. Αυτό υποδηλώνει ότι ο ζωντανός εγκέφαλος με κάποιο τρόπο κρατά τα πράγματα σε κίνηση, αλλά κανείς δεν ξέρει ακριβώς πώς ή πού ρέει. Τυχόν βέλη που σχεδιάζονται σε διαγράμματα του εγκεφάλου και του κρανίου για να δείξουν την κίνησή του δεν πρέπει να θεωρηθούν ως η πλήρης αλήθεια.

«Όλοι αποδέχονται ότι πρέπει να υπάρχει κάποιο είδος ροής εδώ», δήλωσε ο Christer Betsholtz, καθηγητής αγγειακής βιολογίας στο Ινστιτούτο Karolinska στη Σουηδία. "Περίπου μισό λίτρο ΕΝΥ παράγεται στις κοιλίες κάθε μέρα και πρέπει να βγει έξω. Οι άνθρωποι εξακολουθούν να τσακώνονται για το πού βγαίνει το εγκεφαλονωτιαίο υγρό."

Επίσης υπό συζήτηση είναι αν μαζεύει τα απόβλητα κατά την έξοδο από τον εγκέφαλο και, κυρίως, πώς. Υπάρχουν καλές ενδείξεις ότι τα μικρά μόρια, τουλάχιστον, μπορούν να διαχέονται μέσω των χώρων μεταξύ των κυττάρων, να φτάσουν στο ΕΝΥ και να το βγάλουν από τον εγκέφαλο. Στην πραγματικότητα, ορισμένοι ερευνητές πιστεύουν ότι ολόκληρο το σύστημα λειτουργεί μέσω παθητικής διάχυσης.

Το 2012, τα αποτελέσματα από το εργαστήριο του Nedergaard πρότειναν μια πιο ενεργή διαδικασία. Η Nedergaard, μαζί με τον νευρολόγο Jeffrey Iliff, τότε μεταδιδάκτορα στο εργαστήριό της, και τους συναδέλφους τους, έκαναν ένεση με έναν ιχνηθέτη στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό και τον παρακολούθησαν να φτάνει γρήγορα αλλού. Πώς έφτασε από το ένα μέρος στο άλλο; Πρότειναν ότι οι χώροι γύρω από τα αιμοφόρα αγγεία επικοινωνούν με ακόμη μικρότερους χώρους βαθιά στον εγκέφαλο, μεταξύ μεμονωμένων κυττάρων. Πρότειναν επίσης ότι το ΕΝΥ κινείται μέσω των εγκεφαλικών κυττάρων που ονομάζονται αστροκύτταρα σε αυτούς τους χώρους. Εκεί, το υγρό μπορεί να ρίξει μερικά μόρια και να μαζέψει άλλα. μπορεί στη συνέχεια να επιστρέψει στους χώρους γύρω από τα αιμοφόρα αγγεία και να μετακινήσει τα απόβλητα έξω από τον εγκέφαλο. Όλα αυτά θα πρέπει να οδηγηθούν από μια ροή αβέβαιου μηχανισμού.

Ήταν μια εντυπωσιακή ιδέα. Ο Nedergaard, ο οποίος είναι ο ανώτερος συγγραφέας της νέας εργασίας, και οι συνάδελφοί του σύντομα το έκαναν πιο εντυπωσιακό συνδέοντάς το με ένα άλλο μυστήριο:γιατί ο ύπνος φαίνεται να είναι ευεργετικός. Σε μια εργασία του 2013, η ομάδα της έγραψε ότι υπήρχε περισσότερη κίνηση του εγκεφαλονωτιαίου υγρού σε ποντίκια που κοιμόντουσαν και είχαν αναισθητοποιηθεί παρά σε αυτά που ξύπνησαν - και ότι ίσως κατά τη διάρκεια του ύπνου το ΕΝΥ σαρώνει τα απόβλητα από τον εγκέφαλο. Ίσως αυτή η «πλύση εγκεφάλου», όπως την περιέγραψαν οι τίτλοι, θα μπορούσε να παρέχει έναν λόγο για τον οποίο είναι απαραίτητος ο ύπνος και να εξηγήσει πόσο καλύτερα νιώθουμε μετά από μια καλή νύχτα.

Mark Belan/Quanta Magazine

«Είμαι της πεποίθησης ότι το αποκαταστατικό μέρος του ύπνου δεν είναι η εδραίωση της μνήμης», είπε ο Nedergaard. "Ίσως είναι εν μέρει. Αλλά είναι πραγματικά η λειτουργία καθαριότητας του ύπνου που είναι σημαντική."

Στα χρόνια μετά από αυτές τις αρχικές μελέτες, έχει δημοσιευθεί ένας μεγάλος αριθμός εγγράφων που αναφέρονται σε αυτή τη θεωρία της αποστράγγισης εγκεφάλου, που ονομάζεται glymphatic hypothesis. Είναι μια συναρπαστική ιδέα, αλλά μέρη της ιστορίας σηκώνουν κόκκινες σημαίες σε ορισμένους ερευνητές που μελετούν τα αγγεία του εγκεφάλου.

Ο Άλαν Βέρκμαν, ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Φρανσίσκο, που μελετά τη ροή υγρών στο σώμα, έχει υποστηρίξει ότι ορισμένες πτυχές της θεωρίας είναι φυσικά απίθανες - για παράδειγμα, τα κανάλια που λέγεται ότι αφήνουν το υγρό να εισέλθει δεν μπορούν να παίξουν τον ρόλο που τους ζητείται. Σύμφωνα με τον Betsholtz, δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι το υγρό κινείται στους χώρους γύρω από τα αιμοφόρα αγγεία που φεύγουν από τον εγκέφαλο.

Αλλά πολλοί άλλοι ερευνητές φαίνεται να έχουν αποδεχτεί τη γλυμφατική υπόθεση. Αυτό συμβαίνει επειδή γεμίζει μια τρύπα στην κατανόησή μας για τον εγκέφαλο, είπε ο Donald McDonald, ο οποίος μελετά τα αιμοφόρα αγγεία και τα λεμφικά αγγεία στην Ιατρική Σχολή του UCSF. Προσωπικά, δεν αισθάνεται ότι η θεωρία κρατάει νερό, αλλά αναγνωρίζει τη δημοτικότητά της. Ταιριάζει άνετα στον χώρο όπου υπάρχει ένα μυστήριο.

Άμπωτη και ροή

Φανταστείτε ένα σφραγισμένο μπουκάλι νερό. Για να μελετήσετε αυτό το υγρό στη φυσική του κατάσταση, πρέπει να κόψετε μια τρύπα στο μπουκάλι. Αυτή είναι η δυσκολία που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι επιστήμονες που μελετούν τη ροή του ΕΝΥ. «Αν μελετάτε ένα υγρό και βάλετε μια τρύπα στο σύστημα, το αλλάζετε πραγματικά», είπε η Laura Lewis, καθηγήτρια νευροεπιστήμης στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. "Η δυναμική των υγρών διαταράσσεται πραγματικά εύκολα από επεμβατικές διαδικασίες." Επιπλέον, τόσες πολλές συμπεριφορές που εκτελούν τα ζωντανά ζώα, όπως η αναπνοή και ο καρδιακός παλμός, επηρεάζουν άμεσα το υγρό.

Η οικοδόμηση μιας νέας υπόθεσης σε αυτόν τον τομέα, λοιπόν, είναι δύσκολη. Στο πρόσφατο Cell της ομάδας Nedergaard Έγγραφο, η ομάδα ήθελε να εξερευνήσει μια ενδιαφέρουσα σύνδεση που όχι μόνο θα εξηγούσε πώς το ΕΝΥ θα μπορούσε να διοχετεύεται μεταξύ των εγκεφαλικών κυττάρων, αλλά θα συνδέει επίσης αυτή τη διαδικασία με τον ύπνο.

Για τη μελέτη, τα ποντίκια υποβλήθηκαν σε χειρουργική επέμβαση για να εμφυτευτούν αισθητήρες, καλώδια και σωλήνες στον εγκέφαλο - ένας τρόπος για να μελετηθεί το μπουκάλι νερό. Ο στόχος των ερευνητών ήταν να εγχύσουν χρωστική ιχνηθέτη στο ΕΝΥ σε ένα σημείο του εγκεφάλου και στη συνέχεια να παρακολουθήσουν τις ταλαντώσεις και τη δυναμική του ενώ τα ποντίκια κοιμόντουσαν.

Τα δεδομένα έδειξαν ότι, ενώ τα ποντίκια βρίσκονταν στη φάση του ύπνου τους χωρίς γρήγορη κίνηση των ματιών (NREM), η συγκέντρωση του ιχνηθέτη κινούνταν ρυθμικά. Από έναν αισθητήρα που σκαρφαλώθηκε πάνω από την επιφάνεια του εγκεφάλου, οι ερευνητές είδαν ένα μοτίβο αυξήσεων και μειώσεων, σύμφωνα με την πρώτη συγγραφέα Natalie Haugland. "Είχε αυτό το μοτίβο κυμάτων."

Τι θα μπορούσε να οδηγεί αυτή τη ρυθμική ροή; Οι ερευνητές σκέφτηκαν τον νευροδιαβιβαστή νορεπινεφρίνη, ο οποίος προκαλεί τη συστολή των αιμοφόρων αγγείων. «Η νορεπινεφρίνη είναι πολύ γνωστή για τον έλεγχο της ροής του αίματος», είπε ο Nedergaard. Είναι πιθανό, σκέφτηκαν, ότι τα αγγεία που συστέλλονται και χαλαρώνουν θα μπορούσαν να ασκήσουν αρκετή δύναμη στο περιβάλλον εγκεφαλονωτιαίο υγρό για να το ωθήσουν μέσω των ιστών του εγκεφάλου.

Έρευνα με επικεφαλής τη Natalie Haugland προτείνει ότι οι παλμοί της νορεπινεφρίνης βοηθούν στην άντληση εγκεφαλονωτιαίου υγρού μέσω του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια του ύπνου εκτός REM.

Björn Sigurdsson

Επιπλέον, κατά τη διάρκεια του ύπνου NREM τα επίπεδα νορεπινεφρίνης αλλάζουν ρυθμικά. Αυτός ο νευροδιαβιβαστής θα μπορούσε να βοηθήσει να συνδέσουν τις υποθέσεις τους - τη φυσική κίνηση του ΕΝΥ μέσω των εγκεφαλικών ιστών και την «πλύση εγκεφάλου» που συμβαίνει κατά τη διάρκεια του ύπνου.

Η ομάδα κατασκεύασε ποντίκια στα οποία μπορούσαν να ενεργοποιήσουν και να απενεργοποιήσουν την παραγωγή του νευροδιαβιβαστή. Όταν τα επίπεδα νορεπινεφρίνης ανέβηκαν, ο όγκος του ΕΝΥ στον εγκέφαλο αυξήθηκε, είδαν, υποδηλώνοντας ότι άλλαζε κατά κάποιο τρόπο τη ροή του υγρού.

Στη συνέχεια, για να ελέγξει εάν η άντληση των αιμοφόρων αγγείων θα μπορούσε να κινήσει το ΕΝΥ, η ομάδα κατασκεύασε ποντίκια με τοιχώματα αιμοφόρων αγγείων που μπορούσαν να χειριστούν άμεσα. Αντί να αντλούν τα αγγεία αργά, όπως συμβαίνει φυσικά, μετακινούσαν τα τοιχώματα γρήγορα — μία φορά κάθε 10 δευτερόλεπτα και όχι μία φορά κάθε 50. «Όταν το κάναμε αυτό, αυξήσαμε τη ροή του ΕΝΥ στη μία πλευρά του εγκεφάλου» σε μια πολύ μικρή περιοχή όπου αντλούσαν, είπε ο Haugland. "Ήταν πολύ τοπικό... Οπουδήποτε αλλού στον εγκέφαλο ήταν το ίδιο."

Για τους Nedergaard, Haugland και τους συνεργάτες τους, τα ευρήματα συνδέουν τη νορεπινεφρίνη, τη φυσική κίνηση των αιμοφόρων αγγείων και τη ροή του ΕΝΥ στον εγκέφαλο. Η Nedergaard ισχυρίζεται επίσης ότι τα αποτελέσματα είναι συνεπή με το προηγούμενο εύρημα της ομάδας της ότι υπάρχει μεγαλύτερη διαρροή εγκεφάλου κατά τη διάρκεια του ύπνου παρά κατά τη διάρκεια της εγρήγορσης.

«Ψάχναμε γιατί το γλυμφικό [σύστημα] λειτουργεί κυρίως όταν κοιμόμαστε για μεγάλο χρονικό διάστημα», είπε ο Nedergaard. "Το χαρτί έχει να κάνει πραγματικά με:Τώρα βρήκαμε τον κινητήρα ή τον οδηγό για το πώς πλένουμε τον εγκέφαλο όταν κοιμόμαστε."

Ωστόσο, για τους επικριτές της θεωρίας, υπάρχουν ακόμη πάρα πολλοί ανοιχτοί χώροι.

Υπό πίεση

Ο McDonald, της Ιατρικής Σχολής του UCSF, επεσήμανε ότι η εργασία είναι πολύπλοκη και απαιτεί πολλές περίπλοκες μεθόδους. Ωστόσο, ανησυχεί ότι η Nedergaard εργάζεται προς τα πίσω:αναζητά μια εξήγηση για την υπόθεσή της αντί να προσπαθεί να ανακαλύψει πώς λειτουργεί πραγματικά το σύστημα. «Σε αυτό το έγγραφο, δεν είναι σαφές τι είναι η ερμηνεία και τι είναι τα δεδομένα», είπε. «Πολύ νωρίς, η ερμηνεία τους αντικαθίσταται με αυτό που στην πραγματικότητα είναι τα δεδομένα». Υπέδειξε σχηματικά σχήματα που δείχνουν δυναμική ροής που δεν βλέπει να υποστηρίζονται, για παράδειγμα.

Ο Proulx αμφισβήτησε εάν η χρωστική ιχνηθέτης κινήθηκε καθόλου μέσω μιας ενεργού δύναμης. Το μόριο είναι τόσο μικρό που θα μπορούσε να ταξιδεύει με διάχυση, είπε. Φαντάζεται ένα πείραμα, χρησιμοποιώντας τεχνικές που είχε χρησιμοποιήσει στο παρελθόν το εργαστήριο του Nedergaard, όπου ένα μεγάλο μόριο εγχέεται στο ΕΝΥ. Εάν οι ρυθμικές εκλύσεις της νορεπινεφρίνης συσχετίζονται με την άφιξη ενός μεγαλύτερου ιχνηθέτη σε έναν αισθητήρα στην επιφάνεια του εγκεφάλου, αυτό θα ήταν ένα συναρπαστικό εύρημα. «Αυτό θα ήθελα να έχω δει», είπε. Για το μάτι του, θα έκανε μια σαφέστερη σύνδεση μεταξύ της ροής του υγρού και της νορεπινεφρίνης από ό,τι έχει δείξει η εργασία του εργαστηρίου μέχρι στιγμής.

Οι κριτικές για το έργο του Nedergaard είναι έντονες εν μέρει επειδή αυτή η ιδέα είναι επί του παρόντος η πιο εξέχουσα υπόθεση της ροής του ΕΝΥ στον εγκέφαλο. Αυτό μπορεί να αλλάξει εάν άλλοι ερευνητές μπορούν να εισαγάγουν άλλες ιδέες που μπορούν να δοκιμαστούν. Μια άλλη ρυτίδα είναι ότι δεν εννοούν όλοι το ίδιο πράγμα όταν μιλούν για το γλυμφικό σύστημα. "Μερικοί άνθρωποι χρησιμοποιούν "γλυμφική" για να σημαίνει "σύστημα μεταφοράς απορριμμάτων του εγκεφάλου." Άλλοι το χρησιμοποιούν για να εννοήσουν ένα πραγματικά συγκεκριμένο μηχανιστικό μοντέλο", είπε ο Lewis. "Είναι σαφές ότι ο εγκέφαλος διαθέτει και χρειάζεται ένα σύστημα απομάκρυνσης των απορριμμάτων. … Είναι πραγματικά ενδιαφέρον να εξερευνήσετε τι είναι αυτό και πώς λειτουργεί."

Ο Haugland, τώρα μεταδιδάκτορας στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, γνωρίζει τη διαμάχη σχετικά με τη γλυμφατική υπόθεση. "Υπάρχει κριτική. Δεν είμαι σίγουρη επίσης ότι το καταλαβαίνουμε με τον σωστό τρόπο", είπε. "Όσο περισσότεροι άνθρωποι εργάζονται πραγματικά για να μάθουν πώς λειτουργεί, ανεξάρτητα από το ποια είναι η υπόθεσή τους - όλα αυτά θα βοηθήσουν στην προώθηση του πεδίου και θα μας δώσουν περισσότερη γνώση.

«Τα αποτελέσματα είναι αυτά που είναι. Δείχνουν κάτι για τη βιολογία», συνέχισε. «Προσπαθούμε να κάνουμε πολλές ερωτήσεις και, ίσως, δεν είμαστε συνεχώς καλοί σε αυτό γιατί δεν ξέρουμε πώς λειτουργεί — η μεγάλη εικόνα.»

«Κανείς δεν έχει την αλήθεια», είπε ο Προυλξ, για το τι κάνει ο εγκέφαλος εκεί πάνω, στα κρανία μας, για να απαλλαγεί από τα απόβλητά του. «Μερικοί άνθρωποι νομίζουν ότι ξέρουν. Αλλά νομίζω ότι δεν ξέρουμε."

Επόμενο άρθρο

Τριακόσια χρόνια αργότερα, ένα εργαλείο από τον Isaac Newton λαμβάνει μια ενημέρωση