Mózg sprząta się na dwa sposoby. AI odkryła, że jeden jest 50 razy szybszy

Kiedy zapadasz w głęboki sen, w twojej głowie zaczyna się sprzątanie. Wodnisty płyn przepływa wokół mózgu, wypłukując metaboliczne śmieci – w tym białka beta-amyloidu, które łączone są z chorobą Alzheimera. Ten proces, zwany układem glymfatycznym, został po raz pierwszy opisany w 2012 roku przez Maiken Nedergaard, pionierską neurobiolożkę i współdyrektorkę Center for Translational Neuromedicine na University of Rochester. Przez lata naukowcy wiedzieli, że system istnieje, ale nie potrafili precyzyjnie zmierzyć, jak szybko płyn krąży. Aż do teraz.

Niewidzialny przepływ

→ Czytaj też: Największy otwarty model AI ma 2,8 biliona parametrów. Chiny rzucają wyzwanie USA

Problem z badaniem układu glymfatycznego jest fundamentalny: standardowe mikroskopy pokazują szczegóły, ale tylko na mikroskopijnym wycinku mózgu. Z kolei rezonans magnetyczny daje obraz całego organu, ale jest ślepy na tak wolne ruchy płynu. „Jeśli chcesz obrazować cały mózg, rezonans magnetyczny to świetne podejście, bo daje trójwymiarowy widok. Ma jednak poważne ograniczenia, z których największym jest to, że nie rejestruje prędkości przepływu płynu – przynajmniej nie dla tak wolnych ruchów” – wyjaśnia Douglas Kelley, profesor z Wydziału Inżynierii Mechanicznej na University of Rochester.

By rozwiązać tę zagadkę, Kelley i jego zespół – złożony z naukowców z University of Rochester, Brown University i University of Copenhagen – sięgnęli po sztuczną inteligencję. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Science Advances opisali, jak wykorzystali fizykę połączoną z AI do odczytania prędkości przepływu płynu z danych MRI.

Dwie prędkości sprzątania

→ Czytaj też: AI rozszyfrowała śpiew ptaków. Co mówią nam od lat?

Naukowcy nakręcili filmy z rozprzestrzeniania się barwnika w tkance mózgowej myszy, a następnie wytrenowali na nich sieci neuronowe. AI nauczyła się dedukować, jak szybko płynie płyn i jak przepuszczalna jest tkanka. Wyniki zaskoczyły badaczy: układ glymfatyczny działa w dwóch trybach.

„Szybki tor” – płyn przemieszcza się z prędkością kilku mikronów na sekundę w otwartych obszarach mózgu, takich jak przestrzeń między czaszką a korą mózgową. „Wolny tor” – w głębokich tkankach mózgu płyn sączy się około 50 razy wolniej. To odkrycie jest kluczowe dla zrozumienia, jak mózg pozbywa się toksyn.

„Mamy nadzieję, że pewnego dnia będziemy mogli sprawdzić, czy pacjent z chorobą Alzheimera ma słabe krążenie w mózgu, a nawet badać krążenie wcześniej w życiu, by spróbować zapobiec chorobie” – zaznacza Douglas Kelley.

Od myszy do człowieka

Na razie naukowcy pracują nad uzyskaniem podstawowych pomiarów przepływu płynu w mózgach zwierząt, by udoskonalić narzędzia AI. W przyszłości chcą porównać przepływ w mózgach zdrowych i chorych, młodych i starych. Ostatecznym celem jest badanie krążenia u ludzi.

Potencjalne zastosowania są szerokie. Technologia mogłaby zostać użyta natychmiast po wstrząśnieniu mózgu, by sprawdzić, czy wewnętrzne krążenie płynu zostało niebezpiecznie zakłócone. „Chcemy móc sprawdzić, czy u pacjenta po wstrząśnieniu mózgu doszło do zaburzenia krążenia płynu. To badanie przybliża nas do tego celu” – dodaje Kelley.

Odkrycie dwóch prędkości układu glymfatycznego to nie tylko ciekawostka. To mapa drogowa dla przyszłych terapii neurodegeneracyjnych. Jeśli wiemy, gdzie i jak szybko płynie płyn, możemy zacząć szukać sposobów na przyspieszenie tego procesu u osób, u których zawodzi. A to może być klucz do walki z chorobą Alzheimera, Parkinsona i innymi schorzeniami związanymi z gromadzeniem się toksycznych białek w mózgu.