Digital tvilling avslører dobbelrolle for stjernecellene i hjernens rensesystem

Hjernen jobber på høygir døgnet rundt, og produserer jevnt proteiner slik som beta-amyloid. Hjernens rensesystem, det glymfatiske systemet, frakter vekk disse stoffene ved hjelp av væskeflyt. Hvis denne transporten svikter, kan proteinene hope seg opp og skade hjernecellene. Ved sykdommer som Alzheimers og Parkinsons ser man nettopp en slik opphopning av beta-amyloid.

– Det er i praksis umulig å observere disse mikroskopiske væskestrømmene dypt inne i hjernen. I stedet har vi konstruert en digital tvilling ved å kombinere matematiske modeller, rå regnekraft og ekstremt detaljerte bildedata, sier Marie E. Rognes, sjefsforsker ved Simula.

Sammen med kollegene Marius Causemann og Rune Enger har hun nå publisert en ny studie i det anerkjente tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 

Hjernen som en svamp med nanometer-presisjon

Forskerne tok utgangspunkt i høyoppløselige 3D-bilder av hjernevev tatt med elektronmikroskop som viser blodårer, og de stjerneformede støttecellene kalt astrocytter som omgir blodårene. Deretter utviklet de en poroelastisk datamodell – en modell som kan beregne hvordan et porøst, væskefylt materiale oppfører seg når det utsettes for strekk eller trykk. Hvert eneste lille tidssteg i modellen krever beregning av nærmere 13 millioner datapunkter.

Dette gir helt nye muligheter til å studere hva som skjer i overgangen mellom hjernens blodårer og det omkringliggende hjernevevet.

Svikt ved aldring

Når vi blir eldre, eller ved sykdommer som blant annet rammer blodårene i hjernen, slik som Alzheimers sykdom, kan denne overgangen endre sammensetning og bli stivere. Forskerne brukte modellen for å simulere effekten av slike endringer.

– Simuleringene våre viser at økt stivhet kan snu helt om på væskedynamikken. Når stivheten når et visst nivå, kan væskeutvekslingen i rommene mellom blodårene og astrocyttene stoppe helt opp, sier Rognes.

Dette funnet kan bidra til å forklare hvorfor og hvordan hjernens rensesystem svekkes med alderen.

Dobbeltrolle utfordrer tidligere teorier

Rundt blodårene ligger astrocyttene tett i tett som i en mosaikk. Disse stjernecellene er tettpakket med vannkanaler (AQP4), men hvordan disse kanalene bidrar til rensesystemet har lenge stått som et mysterium.

I motsetning til det de fleste tror pumpes ikke væsken ut i hjernen gjennom vannkanalene, men tar heller minste motstands vei i ørsmå sprekker mellom astrocyttene. Modellen viser derimot at vannkanalen kanskje heller kan bidra til at hjernen effektivt skal kunne ta opp sukker fra blodet. 

– Dette er hypoteser vi foreløpig ikke har kunnet teste i laboratoriet, sier Rune Enger, professor ved Universitetet i Oslo og medforfatter av studien. – At datamodellene nå har blitt så realistiske at vi kan bruke dem til å teste helt uutforskede hypoteser i et digitalt laboratorium er oppsiktsvekkende. 

– Dette handler ikke bare om å løse ligninger. Vi utvikler datamodeller for å studere mekanikk i hjernen i detalj – verktøy vi trenger for å bedre forstå hjernehelse og hjernesykdommer, avslutter Rognes.