Кто такие гидроцефалы: жидкий мозг и современная медицина
Одним из характерных для мозга человека физиологических процессов является течение цереброспинальной жидкости (ЦСЖ, ликвор), представляющей собой прозрачную субстанцию, по плотности и вязкости близкую с водой. Ликвор заполняет желудочки головного мозга, различные же заболевания центральной нервной системы (ЦНС) нарушают динамику жидких сред и приводят к патологическим изменениям в головном мозге. При гидроцефалии из-за избыточного скопления ликвора желудочки головного мозга увеличиваются, смещая и сдавливая мозговую ткань. С точки зрения клинических проявлений этот процесс очень хорошо описан (в первую очередь у пациентов наблюдаются головные боли и изменения психического состояния), однако его причины и развитие изучены недостаточно.
В свою очередь, одним из основных методов прижизненного изучения ликворной системы человека является магнитно-резонансная томография (МРТ), при помощи которой можно в определенный момент визуализировать эту систему и оценить циркуляцию ЦСЖ как в норме, так и при патологии. Поскольку при текущем развитии медицины невозможно долговременное и непрерывное получение данных о процессах в головном мозге, исследователи и практикующие врачи могут только выдвигать гипотезы о механизмах взаимодействия отделов ЦНС.
«Желудочки мозга представляют собой полости, заполненные ликвором, который циркулирует вокруг мозга и его постоянно промывает. Сам ликвор вырабатывается в результате фильтрации плазмы крови. Для нас важно, как кровь и ЦСЖ распределяются по мозгу, что можно понять благодаря построенной модели пороупругости», — говорит старший научный сотрудник лаборатории дифференциальных уравнений ИГиЛ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Александрович Черевко.
«Для понимания значения термина «пороупругость» можно провести аналогию: головной мозг подобен обычной губке в жидкой среде. Он не абсолютно жесткий, а податливый, окружен ликвором. Мозг, словно губка, при фильтрации наполняется ЦСЖ, от созданного давления деформируется, сжимается, и получается, что он ведет себя как пороупругая среда», — добавляет младший научный сотрудник лаборатории дифференциальных уравнений ИГиЛ СО РАН Галина Сергеевна Янькова.
Поскольку перетоки ликвора и обменные процессы в среде головного мозга происходят на уровне сосудов разных размеров, не все они доступны для подробной визуализации: ни на томографе, ни методом УЗИ. На примере уже умершего человека невозможно наблюдать изменения в головном мозге, поскольку отсутствует динамика развития заболевания, поэтому для рассмотрения процессов на уровне мелкого сосудистого звена привлекаются методы математического моделирования.
МТЦ СО РАН
Мозг здорового человека и мозг человека, больного гидроцефалией
Исследование строится на результатах МРТ добровольцев. Полученные параметры заложили в модель и в результате построили схему функционирования здорового мозга. Сама по себе пороупругая модель представляет собой систему связанных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих изменение давления жидкости в каждом отделе сосудистой системы и смещение мозгового вещества. И ее решение математическими методами помогает установить взаимосвязь между параметрами, описывающими внутримозговые процессы, и внутричерепным давлением, объемом желудочков. Работу начали с построения простой двумерной геометрической модели, изображающей мозг. После этого выбрали определенные параметры, чтобы на созданной схеме воспроизвести существенные для исследования детали. Установив некоторые закономерности, ученые занялись построением трехмерной геометрии мозга. На следующем этапе будет проводиться сравнение теоретической объемной модели мозга с результатами МРТ здоровых людей.
«В модели представлено перетекание различных видов крови и ЦСЖ друг в друга, а также порядок этого процесса. Исследование проводится, чтобы понять, как изменение параметров, описывающих внутримозговые процессы, будет влиять на работу мозга: на внутричерепное давление, смещение стенок желудочков и т. д.», — говорит Александр Черевко.
«У гидроцефалии большое количество форм, желудочки головного мозга могут увеличиваться как при травмах или опухолевых процессах, когда перекрываются ликворные пути, так и при обычном старении головного мозга. Клинические симптомы в этих случаях схожи: головные боли, снижение памяти и когнитивных познавательных функций. Однако причины ее возникновения различны: ухудшение кровоснабжения головного мозга, его старение, нарушение функций обратного всасывания, создающее определенные предпосылки к развитию более тяжелых форм заболеваний. С некоторыми из болезней можно бороться путем нейрохирургического вмешательства. Но для этого нужно найти ту тонкую грань, когда симптомы объясняются старением головного мозга или же являются предвестником гидроцефалии. Поэтому математическое моделирование должно помочь определить параметры или знаковые точки деформации желудочков, по которым уже можно будет у конкретного пациента, используя результаты МРТ, установить склонность к болезни и вовремя начать лечение», — резюмирует научный сотрудник лаборатории МРТ-технологий МТЦ СО РАН кандидат медицинских наук Ольга Борисовна Богомякова.
Материал предоставлен порталом «Наука в Сибири»
