PENN STATE / LONDON (IT BOLTWISE) – Eine neue Studie zeigt, dass das Gehirn mechanisch stärker mit dem Körper verbunden ist als bisher angenommen. Forscher entdeckten, dass Kontraktionen der Bauchmuskeln Blutgefäße komprimieren und Flüssigkeit bewegen, was das Gehirn im Schädel sanft schwingen lässt. Diese Bewegung könnte erklären, wie Bewegung die Gehirngesundheit fördert, indem sie zelluläre Abfälle entfernt.
Eine kürzlich in Nature Neuroscience veröffentlichte Studie legt nahe, dass das Gehirn mechanisch stärker mit dem Körper verbunden ist, als bisher angenommen. Wissenschaftler fanden heraus, dass Kontraktionen der Bauchmuskeln Blutgefäße komprimieren, die mit der Wirbelsäule und dem Gehirn verbunden sind, und dabei Flüssigkeit bewegen, die das Gehirn sanft im Schädel schwingen lässt. Diese physische Bewegung könnte erklären, wie Bewegung die Gehirngesundheit fördert, indem sie zelluläre Abfälle entfernt.
Die Forscher wollten die spezifischen mechanischen Ursprünge der Gehirnbewegung bei wachen Tieren verstehen. Das zentrale Nervensystem ist in dicke Knochen eingeschlossen, was es isoliert von den physischen Kräften des restlichen Körpers erscheinen lässt. Die Arbeit baut jedoch auf früheren Studien auf, die detailliert darlegen, wie Schlaf und Neuronenverlust beeinflussen können, wie und wann Liquor durch das Gehirn gespült wird, so Patrick Drew, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, Neurochirurgie, Biologie und biomedizinische Technik an der Penn State.
„Unsere Forschung erklärt, wie schon einfache Bewegungen als wichtiger physiologischer Mechanismus zur Förderung der Gehirngesundheit dienen könnten“, sagte Drew, der korrespondierende Autor der Studie. „In dieser Studie haben wir festgestellt, dass, wenn sich die Bauchmuskeln zusammenziehen, sie Blut aus dem Bauch in das Rückenmark drücken, ähnlich wie in einem hydraulischen System, Druck auf das Gehirn ausüben und es bewegen.“
Um diese mikroskopischen Bewegungen zu beobachten, verwendeten die Autoren Zwei-Photonen-Mikroskopie, die hochauflösende Bildgebung von lebendem Gewebe ermöglicht. Sie untersuchten 24 wache Mäuse, deren Köpfe vorübergehend über einem kugelförmigen Laufband fixiert waren. Die Mäuse hatten ein spezielles transparentes Fenster chirurgisch in ihre verdünnten Schädel eingesetzt, das es den Wissenschaftlern ermöglichte, die äußere Oberfläche des Gehirns zu sehen.
Interessanterweise beobachteten die Forscher, dass sich das Gehirn in den Momenten vor der Bewegung der Maus verschob, jedoch unmittelbar nach dem Anspannen der Bauchmuskeln, die notwendig sind, um den Körper zu weiteren Bewegungen anzuregen. Da sich das Gehirn bewegte, bevor die Beine es taten, vermuteten die Wissenschaftler, dass die Kernmuskeln verantwortlich sein könnten. Sensoren, die in die Mäuse implantiert wurden, zeichneten Spitzen in der Aktivität der Bauchmuskeln auf, die den Zeitpunkt der Gehirnbewegung perfekt vorhersagten.
Um zu bestätigen, dass es die Bauchkontraktionen und nicht andere Bewegungen waren, die als Pumpe wirkten, übten die Forscher sanften und kontrollierten Druck auf die Bäuche von leicht betäubten Mäusen aus. Sie bauten einen maßgeschneiderten pneumatischen Gürtel, ähnlich einer Miniatur-Blutdruckmanschette. Ohne andere Bewegung als einen lokalisierten mechanischen Druck, der geringer war als der, den ein Mensch mit einer Blutdruckmanschette erfahren würde, verschoben sich die Gehirne der Mäuse.
Mit der Bestätigung der Verbindung zwischen Bauchkontraktion und Gehirnbewegung sagte Drew, dass der nächste Schritt darin besteht, die Bewegung der Flüssigkeit im Gehirn zu verstehen und ob die Bewegung des Gehirns den Flüssigkeitsfluss induzieren könnte. Glücklicherweise konnte das interdisziplinäre Team an der Penn State diese Techniken entwickeln, einschließlich der Durchführung von Bildgebungsexperimenten an lebenden Mäusen und der Erstellung von Computersimulationen der Flüssigkeitsbewegung.
Francesco Costanzo, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, biomedizinische Technik, Maschinenbau und Mathematik an der Penn State, leitete die rechnergestützte Modellierung. Dieses Modell repräsentierte die vereinfachte Geometrie des zentralen Nervensystems der Maus. „Die Modellierung des Flüssigkeitsflusses im und um das Gehirn bietet einzigartige Herausforderungen, da es gleichzeitige, unabhängige Bewegungen sowie zeitabhängige, gekoppelte Bewegungen gibt“, sagte Costanzo.
Die Simulation zeigte, dass die plötzliche Bewegung des Gehirns die interstitielle Flüssigkeit, die Flüssigkeit, die sich in den mikroskopischen Räumen um die Zellen befindet, aus dem Gehirngewebe herausdrückt. Dieser Auswärtsfluss ist das genaue Gegenteil dessen, was während des Schlafs passiert, wenn Flüssigkeit tief in das Gehirn eindringt, um Abfälle zu entfernen.
Während diese Erkenntnisse Einblicke bieten, gibt es einige Einschränkungen zu beachten. Die Experimente erforderten, dass die Mäuse ihre Köpfe perfekt still hielten. In einem frei beweglichen Tier würden die physischen Kräfte, die durch das Bewegen des Kopfes auf und ab erzeugt werden, auch auf das Gehirn wirken und eine weitere Komplexitätsebene hinzufügen.
Drew betonte, dass, obwohl noch mehr Arbeit erforderlich ist, um die vollständigen Auswirkungen auf den Menschen zu verstehen, diese Studie darauf hindeutet, dass Körperbewegungen dazu beitragen können, Liquor im und um das Gehirn zu zirkulieren, Abfälle zu entfernen und gegen neurodegenerative Erkrankungen zu schützen, die mit Abfallansammlungen verbunden sind.
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