Сокращение мышц живота меняло кровоток мозга за десятую долю секунды

Исследование на мышах показало неожиданную механическую связь между движением тела и венами внутри черепа

Мозг находится внутри прочного черепа. Но механически он гораздо теснее связан с остальным телом, чем может показаться.

Когда мышь начинала двигаться, исследователи наблюдали почти мгновенное сужение крупных венозных структур внутри черепа. Те же изменения можно было вызвать, просто повысив давление в брюшной полости.

И происходило это чрезвычайно быстро — менее чем за десятую долю секунды.

Мы привыкли смотреть на мозговой кровоток со стороны артерий

Классическая схема выглядит достаточно логично.

Какой-то участок мозга начинает активнее работать. Нейронам требуется больше кислорода и питательных веществ. Сосуды получают соответствующие сигналы, артерии и мелкие сосуды расширяются, и к работающей области поступает больше крови.

Этот процесс называют нейроваскулярным сопряжением: активность нервных клеток связана с локальным изменением кровоснабжения.

В такой картине основное внимание естественно достается артериям и капиллярам. Именно они традиционно рассматриваются как главные инструменты тонкой настройки кровотока.

Вены выглядят гораздо менее интересными: кровь прошла через ткань мозга — и теперь по венозной системе должна просто уйти обратно.

Новое исследование показывает, что эта картина неполна.

Что ученые увидели у движущихся мышей

Команда Qingguang Zhang и Patrick Drew изучала кровообращение мозга мышей с помощью оптических методов.

Особое внимание исследователи уделили верхнему сагиттальному синусу — крупному венозному каналу, проходящему вдоль верхней части мозга, — и мостовым венам, по которым кровь от поверхности мозга попадает в этот синус.

Это важные участки системы оттока: через мостовые вены проходит значительная часть крови, покидающей кору.

Когда животное начинало двигаться, эти сосуды резко сужались.

Подобная реакция наблюдалась также после стимуляции усов и при пробуждении от сна. В состоянии покоя изменения вен были тесно связаны с дыханием.

Но особенно интересной оказалась связь с мышцами живота.

Электромиография — регистрация электрической активности мышц — показала, что сокращения вен совпадали с активацией брюшной мускулатуры.

Между животом и мозгом обнаружилась механическая связь

Здесь начинается самая необычная часть исследования.

При движении сокращаются мышцы живота. Из-за этого меняется внутрибрюшное давление, а вместе с ним — давление в связанных сосудистых системах.

Исследователи предположили, что этот механический импульс может передаваться в сторону черепа.

Чтобы проверить гипотезу, они сделали важный эксперимент: повысили давление в брюшной полости у анестезированных мышей искусственно.

Возник практически тот же эффект.

Венозные структуры мозга сужались с похожей амплитудой и скоростью. Искусственно созданное давление в животе также вызывало быстрое, хотя и кратковременное увеличение мозгового кровотока.

То есть одного только движения животного или активности мозга для объяснения эффекта было недостаточно.

Исследователи получили экспериментальные данные в пользу именно механической связи между брюшной полостью и кровообращением внутри черепа.

Самое неожиданное — 0,1 секунды

Именно скорость делает результат особенно интересным.

Изменения диаметра артериальных сосудов, связанные с регулированием мозгового кровотока, обычно разворачиваются на масштабе секунды или нескольких секунд.

Здесь реакция крупных вен возникала менее чем за 0,1 секунды.

Проще говоря, механическое изменение в одной части тела почти немедленно отражалось на сосудистой системе внутри черепа.

И вот здесь привычная схема «мозгу понадобилась кровь — артерии расширились» перестает быть достаточной.

Организм может регулировать мозговую гемодинамику не только локальными химическими и нервными сигналами. В нее могут вмешиваться физические силы, возникающие далеко от самого мозга.

Вены оказались не просто трубами для оттока крови

Это, пожалуй, главный поворот работы.

Артерии имеют выраженный мышечный слой и способны активно менять свой диаметр. Поэтому их роль в управлении кровотоком давно находится в центре внимания физиологов.

В венах мышечных элементов значительно меньше. Их гораздо легче представить пассивной частью системы.

Но наблюдения Zhang и коллег показывают чрезвычайно быстрые изменения верхнего сагиттального синуса и мостовых вен во время поведения животных.

То, что происходит с кровью на выходе из мозга, может быть столь же динамичным элементом гемодинамики, как и процессы на входе.

Почему здесь важны ходьба, дыхание и даже кашель

Для изменения давления в брюшной полости не обязательно делать упражнения на пресс.

Оно постоянно меняется в обычной жизни.

Мы ходим. Бежим. Дышим. Кашляем. Напрягаем мышцы туловища.

Все эти действия создают механические колебания внутри тела.

Предыдущая работа этой же группы уже показала у мышей, что сокращение мышц живота может вызывать изменения давления, слегка перемещающие мозг и способствующие движению окружающей его спинномозговой жидкости.

Теперь исследователи обнаружили еще одну часть этой системы — связь с венозным кровообращением.

Получается гораздо более цельная картина: мозг не просто получает команды и ресурсы от организма. Его жидкости и сосуды физически существуют внутри общей механической системы тела.

Череп защищает мозг, но не делает его механически изолированным.

При чем здесь головная боль и мигрень

Работа поднимает еще один интересный вопрос.

Верхний сагиттальный синус и мостовые вены находятся в твердой мозговой оболочке — dura mater. Сама ткань мозга практически не воспринимает боль, а вот его оболочки содержат чувствительные нервные окончания и имеют важное значение в механизмах головной боли.

Хорошо известно и другое наблюдение: у некоторых людей головная боль или мигрень усиливается при движении, кашле или натуживании.

Новое исследование предлагает физиологический механизм, который потенциально может помочь изучать такую связь: движения тела способны быстро менять механические условия и кровоток в венозных структурах мозговых оболочек.

Но здесь особенно важно не перепутать гипотезу с доказанным объяснением.

Авторы не показали, что обнаруженный механизм вызывает мигрень или головную боль. Они лишь указывают на направление, которое теперь можно исследовать экспериментально.

Это не означает, что нужно «качать пресс для мозга»

Такой вывод был бы привлекательным — и неправильным.

Исследование не проверяло, улучшают ли упражнения на мышцы живота здоровье мозга. Оно не показывает, что сокращения пресса предотвращают деменцию, улучшают память или лечат мигрень.

Более того, работа выполнена на мышах.

Исследователи отмечают сходство соответствующих физиологических структур у мышей и людей и предполагают, что подобная связь может существовать и у человека. Но непосредственно у людей этот механизм в данной работе не продемонстрирован.

Поэтому сегодня речь идет не о новой рекомендации по физической активности, а об открытии ранее недооцененного механизма физиологии.

Исследование обнаружило еще одну ловушку для нейробиологии

У работы есть менее очевидное, но важное следствие.

В экспериментах с мозгом ученые часто используют флуоресцентные белки — молекулы, свечение которых помогает наблюдать активность клеток.

Но быстрое сужение вен уменьшало находящийся в них объем крови. Это само по себе могло изменять интенсивность регистрируемой флуоресценции и создавать сигнал, похожий на изменение активности ткани.

Иными словами, часть сигнала в некоторых экспериментах потенциально может отражать не только работу нейронов, но и очень быстрые изменения кровенаполнения сосудов.

Это уже методологический результат: чтобы правильно интерпретировать изображения работающего мозга, иногда необходимо учитывать движения и механические процессы всего тела.

Мозг оказался частью гидравлики организма

Самая интересная идея этой работы шире конкретных сосудов.

Мы привыкли мысленно отделять мозг от тела: нервная система посылает команды мышцам, сердце доставляет кровь, легкие обеспечивают кислород.

Но физиология не разделена на такие аккуратные блоки.

Сокращение мышц живота меняет давление. Давление передается через связанные системы организма. Венозные структуры внутри черепа реагируют практически мгновенно. Меняется гемодинамика мозга.

Это механическая цепочка, которая существует параллельно нервным и химическим сигналам.

Именно поэтому открытие интересно не как аргумент в пользу очередного вида тренировок, а как изменение самой модели: мозговое кровообращение необходимо рассматривать в контексте движущегося, дышащего и постоянно меняющего давление тела.