תפקוד מוחי בריא מסתמך על אספקת דם קבועה. שיבושים בזרימת הדם קשורים למצבים נוירולוגיים עיקריים כמו שבץ מוחי, מחלת אלצהיימר (AD) ופגיעות מוחיות טראומטיות. אך ההבנה כיצד המוח מעין את הזרימה הזו-במיוחד על פני כלי הדם הקטנים ביותר שלו-נותרה אתגר.
אספקת הדם של המוח כוללת רשת עצומה של כלי שיט, החל בין עורקים גדולים ועד נימים מיקרוסקופיים. בין כלי המעבר לשקר אלה (TZ) – כגון עורקים חודרים, עורקים טרום -פילריים וספינקטים נימים – המגשרים את הפער ועשויים למלא תפקיד גדול בוויסות הזרימה. אולם תרומתם המדויקת, במיוחד במהלך פעילות מוגברת במוח, נותרה נושא לדיון מדעי.
כדי לחקור את הדינמיקה הזו, חוקרים מהמכללה להנדסה ומדעי המחשב באוניברסיטת אטלנטיק פלורידה ובמכון FAU Sensing (I-Sense) פיתחו מודל מחשב מפורט ביותר של כלי הדם של מוח העכבר, תוך התייחסות לכל קטע כלי שיט כאל שסתום זעיר ומתכוונן.
המודל מדמה כיצד כלי הדם במוח מגיבים לשני גורמי מפתח: המודינמיקה, תנועת הדם דרך הכלים, ווסודינמיקה, הדרך בה כלי משנים באופן פעיל צורה בתגובה לזרימה זו.
על ידי שילוב של שני התהליכים, המודל מגלה כיצד רכיבים שונים במערכת כלי הדם של המוח פועלים יחד כדי לשמור על זרימת דם יציבה – אפילו כאשר התנאים משתנים, כמו תנודת לחץ דם או פעילות מוגברת באזורי מוח ספציפיים. כדי להעריך את דיוקו, השוו החוקרים את תחזיות המודל נגד נתונים ביולוגיים אמיתיים.
תוצאות המחקר, שפורסמו ב Plos Oneהראה כי כלי הדם המוח פועלים בארבעה שלבים מובחנים המבוססים על לחץ דם. בלחצים נמוכים מאוד, זרימת הדם יורדת מתחת לרמות האופטימליות. ככל שהלחץ עולה, המערכת נכנסת ל"נקודה מתוקה "בה הזרימה נותרה יציבה על פני מגוון רחב. אך מעבר לסף מסוים, כלי שיט מאבדים שליטה וזרימה עולה במהירות – עלול להלחיץ או לפגוע בקירות כלי עדינים.
לא כל הכלים ממלאים תפקידים שווים בשמירה על זרימת הדם הבריאה במוח. "
רמין פאשי, דוקטורט, לימוד סופר בכיר ופרופסור, המחלקה להנדסת חשמל ומדעי המחשב והמחלקה להנדסה ביו -רפואית, אוניברסיטת אטלנטיק בפלורידה
פאשי הוא גם עמית סגל I-Sense.
"המודל שלנו מראה כי כלי מעבר – אלה שבין עורקים ונימים – מבצעים את ההתאמות הקריטיות ביותר כדי להגן על המוח ולהבטיח אספקה עקבית של חמצן וחומרים מזינים. זה גם עוזר להסביר כיצד המוח נשאר מוגן על פני מצבים פיזיולוגיים שונים. קירות הכלי עצמם – במיוחד תאי אנדותל – יכולים רק להביא למתחם של תאי אנדותל – או פציעה. "
המודל גם תפס כיצד זרימת הדם עולה במהלך פעילות המוח – המכונה היפרמיה תפקודית – עם סוגים שונים של כלי שיט העולים את ההובלה בהתאם למיקומם. בשכבות חיצוניות, ספינקסים וכלי TZ מבצעים את מרבית היצירה הרגולטורית; עמוק יותר במוח, העורקים החודרים משתלטים.
על ידי דוגמנות מדויקת כיצד המוח מנהל לחץ דם ומסירת חמצן במערכת המיקרו -וסקולרית שלו, עבודתו של הצוות מניחה בסיס לפיתוח כלי אבחון טובים יותר, הדמיות חכמות יותר וטיפולים יעילים יותר למגוון רחב של מצבים מוחיים.
"כמהנדסים, אנו משתמשים בחישוב כדי לחשוף מה הביולוגיה בלבד לא יכולה להראות," אמרה פאשי. "המודל שלנו מראה שמוח בריא מצויד במערכות מכוונות עדינות להגנה על עצמן-אך כאשר מערכות אלה נכשלות, אפילו שינויים קטנים בלחץ או בתפקוד כלי השיט יכולים להיות בעלי השלכות גדולות."
המחקר מדגיש את כוחו של שיתוף פעולה חוצה תחומי בין הנדסה, מדעי המוח ומודלים חישוביים. הצוות מקווה כעת לשכלל את המודל עוד יותר ובסופו של דבר ליישם אותו על נתוני מוח אנושיים.
מודל זה הוא שלב המחקר האחרון במרדף אחר צוות ההנדסה של FAU לפתח נוהל לגילוי מוקדם של AD באמצעות בחינת עיניים פשוטה. בהתבסס על תצפיות ניסיוניות, הצוות שיער כי שינויים במערכת הרגולציה של זרימת הדם של המוח מתרחשים בשלבים מוקדמים מאוד של AD, המלווים בליקויים בעיניים.
צפויים שינויים דומים במערכת הרגולציה של זרימת הדם של רשתית הרשתית, הנגישה להדמיה אפילו אצל בני אדם. על ידי הבנת האופן בו מערכת הרגולציה של זרימת הדם משתנה תחת AD וכיצד מתואמים שינויים אלה עם השינויים ברשתית, ניתן לצלם את כלי הדם ברשתית ברשתית באופן שאינו פולשני. ניתן לעבד את נתוני ההדמיה על ידי אלגוריתמי בינה מלאכותית כדי לאבחן AD ולסווג את שלב המחלה והתקדמותם.
סטלה באטלמה, דוקטורט, דיקנית המוח של המוח ההנדסה ומדעי המחשב. "ממצאים אלה לא רק מקדמים את ההבנה שלנו בפיזיולוגיה בסיסית; יש להם פוטנציאל אמיתי לשנות את האופן בו אנו ניגשים להפרעות נוירולוגיות כמו גם לטראומה מוחית. על ידי שילוב של דוגמנות מחשב מתקדמות עם תובנה ביולוגית, החוקרים שלנו דוחפים את הגבולות של מה שאפשר בבריאות המוח."
