Институт гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирский государственный университет и Международный томографический центр СО РАН проводят исследования модели головного мозга человека, на примере которой можно проследить возникновение гидроцефалии. Она позволяет описать состояние организма как в функциональной норме, так и при гидроцефалии и переход между ними. 

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. 
 
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. 

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
 
В проекте участвуют научный сотрудник лаборатории МРТ-технологий МТЦ СО РАН кандидат медицинских наук Ольга Борисовна Богомякова, заведующий лабораторией МРТ-технологий МТЦ СО РАН доктор медицинских наук Андрей Александрович Тулупов, старший научный сотрудник лаборатории дифференциальных уравнений ИГиЛ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Канчерович Хе, старший научный сотрудник лаборатории дифференциальных уравнений ИГиЛ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Александрович Черевко, младший научный сотрудник лаборатории дифференциальных уравнений ИГиЛ СО РАН Галина Сергеевна Янькова. 
 
Андрей Фурцев 
 
Фото: мозг здорового человека и мозг человека, больного гидроцефалией. Предоставлено исследователями 

Источники

Сибирские ученые исследуют развитие гидроцефалии при помощи математических моделей
Наука в Сибири (sbras.info), 17/08/2020
Кто такие гидроцефалы: жидкий мозг и современная медицина
Pcnews.ru, 17/08/2020
Сибирские ученые исследуют развитие гидроцефалии при помощи математических моделей
Популярная механика (popmech.ru), 17/08/2020
Кто такие гидроцефалы: жидкий мозг и современная медицина
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 17/08/2020
Сибирские ученые исследуют развитие гидроцефалии при помощи математических моделей
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 17/08/2020
Кто такие гидроцефалы: жидкий мозг и современная медицина
AchtungPartisanen.ru, 18/08/2020
Сибирские ученые создали математическую модель головного мозга для изучения гидроцефалии
Seldon.News (news.myseldon.com), 18/08/2020
Сибирские ученые создали математическую модель головного мозга для изучения гидроцефалии
Тайга.инфо (tayga.info), 18/08/2020
Сибирские ученые создали математическую модель головного мозга для изучения гидроцефалии
News-Life (news-life.pro), 18/08/2020
Сибирские ученые создали математическую модель головного мозга для изучения гидроцефалии
Город финансов (gorodfinansov.ru), 20/08/2020

Похожие новости

  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    3883
  • 18/10/2019

    L’OREAL — UNESCO: они этого достойны

    Три молодых исследовательницы из Новосибирска вошли в число десяти лауреаток конкурса «Для женщин в науке» L’OREAL — UNESCO 2019. Его цель — улучшение позиций женщин-ученых и признания их заслуг. Мы поговорили с победительницами об их работе и о препятствиях, которые им приходится преодолевать.
    1334
  • 11/08/2020

    Академгородок 2.0 – приобретения и потери: мнения экспертов

    Что удалось сделать для развития Новосибирского научного центра за последние годы и какие задачи остаются нерешенными? Три известных российских ученых инвентаризируют достижения и проблемы в статье, написанной для «Континента Сибирь»*.
    474
  • 03/08/2020

    Красная книга Золотой Долины - к 120-летию со дня рождения академика М. А. Лаврентьева

    К 120-летию со дня рождения академика Михаила Лаврентьева «Ведомости» встречаются с людьми, знавшими его лично. Наша сегодняшняя гостья — Фаина Луговцова.​ Золотодлинский перекус: когда на обед жалко времени, а силы убывают​  ​​​​Мы продолжаем «лаврентьевскую серию» — встречаемся и рассказываем о людях, которые вместе с академиком Лаврентьевым жили в «финских бараках» в Золотой Долине и строили среди сибирской тайги Городок своей мечты.
    369
  • 08/02/2019

    9 февраля 2019 года в ГПНТБ СО РАН пройдёт День российской науки

    ​9 февраля 2019 года в Государственной публичной научно-технической библиотеке СО РАН (Новосибирск, ул. Восход, 15) с 10:00 будут проходить мероприятия, посвященные Дню российской науки. Программа Дня науки:1 этаж, малый выставочный зал10:00 – 16:00Интерактивная выставка «ЧУДО СВЕТА или страсти по электричеству».
    1733
  • 28/03/2017

    Лекториум на Вертковской. Лекции Евгения Ерманюка и Эдуарда Прууэла

    ​30 марта 2017 года в рамках научно-просветительского проекта "ЛЕКТОРИУМ НА ВЕРТКОВСКОЙ" состоятся лекции:17.00 - Внутренние волны в атмосфере и океане — невидимая опасность. Мы узнаем, как с внутренними волнами связаны эффект "мертвой воды" в норвежских фьордах и проблемы с навигацией подводных лодок и позиционированием плавучих буровых платформ.
    1703
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    1003
  • 04/09/2016

    IV Молодёжная школа «Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике»

    ​С 4 по 8 сентября 2016 г. в новосибирском Академгородке пройдет IV Молодежная школа с международным участием "Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике".
    4103
  • 17/08/2016

    В Новосибирске пройдет Вторая международная конференция «Математическая гидродинамика»

    Новосибирский государственный университет совместно с Институтом гидродинамики СО РАН (зеркальная лаборатория нелинейных процессов в гидродинамических системах) проводят 22–27 августа вторую Международную конференцию «Математическая гидродинамика».
    3837
  • 18/09/2020

    Академик Михаил Алексеевич Лаврентьев: объединяя математику с жизнью

    В этом году исполняется 120 лет со дня рождения основателя Сибирского отделения РАН (АН СССР) Михаила Алексеевича Лаврентьева​. Его научный кругозор был огромен, он сделал множество открытий как в области математики, так и в механике, разглядел будущее вычислительной техники.
    361