物理學：研究人員模擬有毒蛋白質如何通過大腦進入，導致疾病！健康頭條網

通過3D大腦模擬各種初始種子區域的毒性蛋白質空間進展的激活圖來源：史蒂文斯理工學院。

許多神經退行性疾病通過劫持大腦的連接電路來傳播有毒蛋白質，這些蛋白質逐漸積累並引發痴呆症狀。現在，史蒂文斯理工學院的研究人員及其同事已經模擬了這些有毒蛋白質如何在整個大腦中擴散，以再現與阿爾茨海默病，帕金森病和肌萎縮側索硬化症或肌萎縮側索硬化相關的萎縮模式。

這項工作將於10月12日出版的“ 物理評論快報”上發表，它可以開闢計算機大腦建模的新領域，因為它突出了彌合微觀和宏觀方法的第一步 - 從單個分子的相互作用到醫學圖像分析整個大腦。它還可以擴展對這些疾病的基本認識，如果不加以控制，估計這些疾病將在未來30年內影響超過1200萬美國人。

“這是在細胞水平和整個器官水平之間建立橋樑的第一次嘗試，”主要作者，史蒂文斯機械工程教授Johannes Weickenmeier說。“關鍵是將生物化學與大腦的生物力學相結合，以更好地瞭解這些疾病的動態。”

作為一名博士後研究員，Weickenmeier開創了一種建立數字大腦的技術，通過使用三維建模軟件來安排超過400,000個金字塔形虛擬塊，逐塊重建高度摺疊和彎曲的結構。“這是一種藝術形式，”Weickenmeier說。“要重建所有那些單獨的褶皺是相當困難的。”

然後，他用擴散張量成像收集的數據覆蓋了他的模型，該數據揭示了信號通過大腦的方向。一些腦結構主要在特定方向上傳遞信號，因此數字模型不僅捕獲大腦的解剖特徵，還捕獲電化學信號流過它們的方式。

為了模擬有毒蛋白質在大腦中的傳播，Weickenmeier和他的團隊，包括斯坦福大學的同事Ellen Kuhl和牛津大學的Alain Goriely，使用的方程類似於描述熱量如何通過材料擴散的方程式。

阿爾茨海默氏症大腦中毒性tau進展的數字表示。左側是醫學腦部掃描重建的數字腦模型，中間顯示腦部有毒性tau的逐漸感染，右側顯示模型對疾病中期tau蛋白分佈的預測。圖片來源：史蒂文斯理工學院。

他們發現，雖然不同的神經退行性疾病通常涉及非常不同的生物化學 - 併產生非常不同的症狀 - 該模型可以通過改變毒性蛋白的起點，再現與阿爾茨海默病，帕金森病和其他神經退行性疾病相關的萎縮模式。在大腦裡。“這些萎縮模式本質上來自我們的系統，”Weickenmeier說。

Weickenmeier解釋說，毒性蛋白質在不同的地方被“種子”用於不同的疾病，它們在大腦中的傳播 - 以及它們產生的症狀 - 取決於它們可用的連接途徑。生物化學仍然很重要，但模擬的療效表明神經解剖學和連接性在調節神經退行性疾病的進展中也起著關鍵作用。

更精確的模擬有一天可以通過預測症狀來加速診斷，或者幫助研究人員開發新的治療方法。然而，數字大腦建模還處於早期階段，部分原因是判斷模型預測的數據相對較少。與此同時，神經影像學界正在積極開發能夠使這些疾病可視化的腦成像技術。“一旦我們擁有這些，我們將能夠校準我們的模型，以便在未來做出準確的患者特異性預測，”Weickenmeier說。

該模型的潛力也擴展到其他疾病。類似的機制支撐著多發性硬化症，以及慢性創傷性腦病，或CTE，一種可能影響暴露於反覆頭部撞擊的人的疾病，從啦啦隊到足球運動員。