Modelowanie dynamiki mózgu

Wodogłowie normociśnieniowe jest zaburzeniem neurologicznym wywołanym gromadzeniem płynu mózgowo-rdzeniowego w mózgu. Ponieważ objawy i wyniki badań nakładają się z innymi chorobami zwyrodnieniowymi układu nerwowego, takimi jak choroba Alzheimera, diagnoza jest utrudniona. Brak jest wiedzy na temat mechaniki wewnątrzczaszkowej, a trudności w uzyskiwaniu dokładnych wyników pomiarów w obrębie mózgu dodatkowo ograniczają możliwości terapeutyczne.

Aby sprostać wyzwaniu wyjaśnienia mechanizmów tej choroby, finansowany przez UE projekt DINUMA (Development of an integrated numerical model of the intra-cranial space (including the brain parenchyma, blood flow and cerebrospinal fluid) for clinical application) zaproponował stworzenie wieloskalowej platformy numerycznej do badania dynamiki wewnątrzczaszkowej. W tym kontekście, naukowcy opracowali innowacyjny model oddolny struktury tkanek mózgu i wieloskalową metodę badania przepływu komorowego płynu mózgowo-rdzeniowego. Badania dynamiki ciśnienia wewnątrzczaszkowego u osób zdrowych i chorych pozwalają lepiej zrozumieć dynamikę tkanek i płynu mózgowo-rdzeniowego, co może przełożyć się na trafniejsze diagnozy kliniczne.

Oddolny model strukturalny korzysta z mikrostruktury tkanki i mikrodeformacji, aby rekonstruować globalne interakcje tkanki z jej środowiskiem. Mimo elastyczności komórek, opóźnienia w wyrównaniu ciśnienia płynu zewnątrzkomórkowego w całej macierzy komórkowej sprawiają, że, jak wykazano doświadczalnie, tkanki mózgu mają właściwości lepko-elastyczne oraz zależne od naprężeń, jakim są poddawane. Co istotniejsze, przy stałym obciążeniu postępuje deformacja mózgu w miarę przesiąkania płynu z przestrzeni zewnątrzkomórkowej; ta obserwacja może być istotna w ustaleniu patogenezy wodogłowia normociśnieniowego.

Wieloskalowe symulacje dynamiki płynu mózgowo-rdzeniowego wykazały wprawdzie wpływ ruchu ścian i pulsacji splotu naczyniówkowego na tę dynamikę w regionach centralnych komór, jednak dynamika w pobliżu ścian i siły ścinające działające na ściany były zależne przede wszystkim od pulsacji rzęsek wyściółki. Te wyniki pokazują, że dynamika wewnątrzczaszkowa jest wynikiem złożonych odpowiedzi na poziomie komórkowym.

Z perspektywy klinicznej, odporność na odpływ płynu mózgowo-rdzeniowego jest wykorzystywana jako miara dynamiki wewnątrzczaszkowej u pacjentów z normociśnieniowym wodogłowiem. Wymaga to przeprowadzenia testu infuzji i wyliczenia odporności na odpływ płynu mózgowo-rdzeniowego. Uzyskiwane przybliżenie nie zawsze jest satysfakcjonujące. Wstępne wyniki in vitro wskazują na znaczną poprawę dokładności tych wyliczeń, gdy uwzględniono właściwości lepko-elastyczne mózgu, co zostało przewidziane w modelu DINUMA. Dokładne oszacowanie dynamiki wewnątrzczaszkowej ma więc duże znaczenie kliniczne.