Neues Computermodell bietet einen detaillierten Einblick in das Maushirngefäße

Eine gesunde Gehirnfunktion basiert auf einer stetigen Blutversorgung. Störungen im Blutfluss sind mit wichtigen neurologischen Erkrankungen wie Schlaganfall, Alzheimer -Krankheit (AD) und traumatischen Hirnverletzungen verbunden. Aber zu verstehen, wie das Gehirn diesen Fluss gut abbaut-insbesondere über seine kleinsten Blutgefäße-bleibt eine Herausforderung.

Die Blutversorgung des Gehirns umfasst ein riesiges Netzwerk von Gefäßen, die von großen Arterien bis hin zu mikroskopischen Kapillaren reichen. Zwischen diesen Lügenübergangszonen (TZ) Gefäßen – wie durchdringenden Arteriolen, vorab Kapillararteriolen und Kapillarsphinktern -, die die Lücke schließen und eine große Rolle bei der Regulierung des Flusses spielen können. Ihr genauer Beitrag, insbesondere während einer erhöhten Gehirnaktivität, bleibt jedoch ein Thema wissenschaftlicher Debatte.

Um diese Dynamik zu untersuchen, entwickelten Forscher des College of Engineering und Informatik der Florida Atlantic University und des FAU Senssing Institute (I-Sens) ein sehr detailliertes Computermodell des Gefäßsystems des Maushirns und behandelte jedes Gefäßsegment als ein winziges, einstellbares Ventil.

Das Modell simuliert, wie Gehirnblutgefäße auf zwei Schlüsselfaktoren reagieren: die Hämodynamik, die Blutbewegung durch die Gefäße und die Vasodynamik, die Art und Weise, wie Gefäße die Form als Reaktion auf diesen Fluss aktiv verändern.

Durch die Integration beider Prozesse zeigt das Modell, wie unterschiedliche Komponenten des Gefäßsystems des Gehirns zusammenarbeiten, um den stabilen Blutfluss aufrechtzuerhalten – selbst wenn sich die Bedingungen verändern, wie z. B. Blutdruckschwankungen oder eine erhöhte Aktivität in bestimmten Hirnregionen. Um ihre Genauigkeit zu bewerten, verglichen die Forscher die Vorhersagen des Modells mit realen biologischen Daten.

Ergebnisse der Studie, veröffentlicht in PLOS einsZeigen Sie, dass Bluthirnblutgefäße in vier unterschiedlichen Phasen basierend auf dem Blutdruck arbeiten. Bei sehr niedrigen Drücken fällt der Blutfluss unter optimale Werte. Wenn der Druck steigt, gelangt das System in einen „Sweet Spot“, an dem der Fluss über einen weiten Bereich stetig bleibt. Abgesehen von einem bestimmten Schwellenwert verlieren die Gefäße die Kontrolle und der Fluss steigt rasch zunimmt – potenziell stress- oder schädlich empfindliche Gefäßwände.

Nicht alle Schiffe spielen eine gleiche Rolle bei der Aufrechterhaltung einer gesunden Kreislauf im Gehirn. „

Ramin Pashaie, PhD, Senior Autor und Professor, Abteilung für Elektrotechnik und Informatik und Abteilung für Biomedizinische Ingenieurwesen, Florida Atlantic University

Pashaie ist auch eine I-Sens-Fakultät.

„Our model shows that transitional vessels – those between arteries and capillaries – make the most critical adjustments to protect the brain and ensure a consistent supply of oxygen and nutrients. It also helps explain how the brain stays protected across different physiological conditions. The vessel walls themselves – particularly the endothelial cells – can only constrict so much. Once that limit is reached, the system loses some control over blood flow, which can lead to increased stress on vessel walls and may zur Krankheit oder Verletzung beitragen. „

Das Modell erfuhr auch, wie der Blutfluss während der Gehirnaktivität zunimmt – bekannt als funktionelle Hyperämie – mit verschiedenen Arten von Schiffen, die je nach Standort die Führung übernehmen. In Außenschichten führen Schließmuskeln und TZ -Schiffe die meisten regulatorischen Arbeiten aus; Tiefer im Gehirn übernehmen durchdringende Arteriolen.

Durch die genaue Modellierung des Gehirns, wie das Gehirn den Blutdruck und die Sauerstoffabgabe über sein mikrovaskuläres System verwaltet, bildet die Arbeit des Teams eine Grundlage für die Entwicklung besserer diagnostischer Instrumente, intelligenteren Simulationen und effektiveren Behandlungen für eine Vielzahl von Gehirnzuständen.

„Als Ingenieure verwenden wir die Berechnung, um zu zeigen, was die Biologie allein nicht immer zeigen kann“, sagte Pashaie. „Unser Modell zeigt, dass gesunde Gehirne mit fein abgestimmten Systemen ausgestattet sind, um sich selbst zu schützen-aber wenn diese Systeme ausfallen, können selbst kleine Druckänderungen oder Gefäßfunktionen große Konsequenzen haben.“

Die Studie unterstreicht die Macht der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Ingenieurwesen, Neurowissenschaften und Computermodellierung. Das Team hofft nun, das Modell weiter zu verfeinern und es schließlich auf Daten des menschlichen Gehirns anzuwenden.

Dieses Modell ist die neueste Forschungsphase in diesem Streben des FAU -Engineering -Teams, ein Verfahren zur frühzeitigen Erkennung von AD durch eine einfache Augenuntersuchung zu entwickeln. Basierend auf experimentellen Beobachtungen hat das Team die Hypothese aufgestellt, dass Veränderungen im Blutflussregulierungssystem des Gehirns in sehr frühen Stadien der AD auftreten, begleitet von Augenbeeinträchtigungen.

Ähnliche Veränderungen im Blutflussregulierungssystem von Retina werden erwartet, was auch beim Menschen für die Bildgebung zugänglich ist. Wenn Sie verstehen, wie sich das Blutflussregulierungssystem unter AD ändert und wie diese Veränderungen mit den Veränderungen in der Netzhaut korreliert sind, kann die Netzhautgefäßen nicht-invasiv abgebildet werden. Die Bildgebungsdaten können durch künstliche Intelligenzalgorithmen verarbeitet werden, um AD zu diagnostizieren und das Stadium und das Fortschreiten der Krankheit zu klassifizieren.

„Diese neueste Forschung liefert neue und wichtige Einblicke in die komplexen Mechanismen, die den Blutfluss im Gehirn regulieren – insbesondere, wie winzige Gefäße sich an sich ändernde Bedingungen anpassen, um das Gehirn zu nähren und zu schützen“, sagte Stella Batalama, Ph.D., Dekanin des FAU College of Engineering und Informatik. „Diese Erkenntnisse verbessern nicht nur unser Verständnis der grundlegenden Physiologie. Sie haben ein echtes Potenzial, unsere neurologischen Erkrankungen sowie das Gehirntrauma zu verändern. Durch die Kombination fortschrittlicher Computermodellierung mit biologischen Einsichten überschreiten unsere Forscher die Grenzen dessen, was bei der Gesundheit des Gehirns möglich ist.“

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