物理学：研究人员模拟有毒蛋白质如何通过大脑进入，导致疾病！健康頭條網

通过3D大脑模拟各种初始种子区域的毒性蛋白质空间进展的激活图来源：史蒂文斯理工学院。

许多神经退行性疾病通过劫持大脑的连接电路来传播有毒蛋白质，这些蛋白质逐渐积累并引发痴呆症状。现在，史蒂文斯理工学院的研究人员及其同事已经模拟了这些有毒蛋白质如何在整个大脑中扩散，以再现与阿尔茨海默病，帕金森病和肌萎缩侧索硬化症或肌萎缩侧索硬化相关的萎缩模式。

这项工作将于10月12日出版的“ 物理评论快报”上发表，它可以开辟计算机大脑建模的新领域，因为它突出了弥合微观和宏观方法的第一步 - 从单个分子的相互作用到医学图像分析整个大脑。它还可以扩展对这些疾病的基本认识，如果不加以控制，估计这些疾病将在未来30年内影响超过1200万美国人。

“这是在细胞水平和整个器官水平之间建立桥梁的第一次尝试，”主要作者，史蒂文斯机械工程教授Johannes Weickenmeier说。“关键是将生物化学与大脑的生物力学相结合，以更好地了解这些疾病的动态。”

作为一名博士后研究员，Weickenmeier开创了一种建立数字大脑的技术，通过使用三维建模软件来安排超过400,000个金字塔形虚拟块，逐块重建高度折叠和弯曲的结构。“这是一种艺术形式，”Weickenmeier说。“要重建所有那些单独的褶皱是相当困难的。”

然后，他用扩散张量成像收集的数据覆盖了他的模型，该数据揭示了信号通过大脑的方向。一些脑结构主要在特定方向上传递信号，因此数字模型不仅捕获大脑的解剖特征，还捕获电化学信号流过它们的方式。

为了模拟有毒蛋白质在大脑中的传播，Weickenmeier和他的团队，包括斯坦福大学的同事Ellen Kuhl和牛津大学的Alain Goriely，使用的方程类似于描述热量如何通过材料扩散的方程式。

阿尔茨海默氏症大脑中毒性tau进展的数字表示。左侧是医学脑部扫描重建的数字脑模型，中间显示脑部有毒性tau的逐渐感染，右侧显示模型对疾病中期tau蛋白分布的预测。图片来源：史蒂文斯理工学院。

他们发现，虽然不同的神经退行性疾病通常涉及非常不同的生物化学 - 并产生非常不同的症状 - 该模型可以通过改变毒性蛋白的起点，再现与阿尔茨海默病，帕金森病和其他神经退行性疾病相关的萎缩模式。在大脑里。“这些萎缩模式本质上来自我们的系统，”Weickenmeier说。

Weickenmeier解释说，毒性蛋白质在不同的地方被“种子”用于不同的疾病，它们在大脑中的传播 - 以及它们产生的症状 - 取决于它们可用的连接途径。生物化学仍然很重要，但模拟的疗效表明神经解剖学和连接性在调节神经退行性疾病的进展中也起着关键作用。

更精确的模拟有一天可以通过预测症状来加速诊断，或者帮助研究人员开发新的治疗方法。然而，数字大脑建模还处于早期阶段，部分原因是判断模型预测的数据相对较少。与此同时，神经影像学界正在积极开发能够使这些疾病可视化的脑成像技术。“一旦我们拥有这些，我们将能够校准我们的模型，以便在未来做出准确的患者特异性预测，”Weickenmeier说。

该模型的潜力也扩展到其他疾病。类似的机制支撑着多发性硬化症，以及慢性创伤性脑病，或CTE，一种可能影响暴露于反复头部撞击的人的疾病，从啦啦队到足球运动员。