Permeability of the extracellular space in the rat, mouse, and human brain

Diep in de hersenen, tussen de dicht opeengepakte cellen die denken, voelen en onthouden, ligt een verborgen netwerk van minuscule kanalen. Deze ruimtes, bekend als de extracellulaire ruimte, zijn gevuld met vloeistof die fungeert als een essentieel plomberie-systeem voor het orgaan. Deze vloeistof voert het metabole afval af dat cellen produceren terwijl ze werken, vergelijkbaar met een rivier die puin uit een stad wast. Als dit reinigingssysteem faalt, kunnen toxische eiwitten zich ophopen, een proces dat gelinkt is aan ernstige neurologische ziekten. Decennialang begrepen wetenschappers dat deze vloeistof beweegt, maar zij hadden moeite om te meten hoe gemakkelijk het door de microscopische doolhof van hersenweefsel stroomt. De snelheid van deze stroming hangt af van een eigenschap genaamd permeabiliteit, die beschrijft hoe open of geblokkeerd de paden zijn. Zonder de ware permeabiliteit te kennen, is het moeilijk om nauwkeurige modellen te bouwen van hoe de hersenen zichzelf schoonmaken of om medicijnen te ontwerpen die via deze vloeistof hun doel kunnen bereiken.

Een team onderzoekers van de University of Rochester heeft nu een directe blik geworpen op deze verborgen loodgieterij in de hersenen van ratten, muizen en mensen. In plaats van te gokken of te vertrouwen op indirecte metingen, gebruikten zij hoogresolutie driedimensionale beelden van daadwerkelijk hersenweefsel om digitale modellen te bouwen van de ruimtes tussen de cellen. Vervolgens simuleerden zij de stroming van vloeistof door deze digitale ruimtes om exact te berekenen hoe permeabel ze zijn. Hun werk onthult dat hoewel de reinigingsefficiëntie van de hersenen verandert afhankelijk van de vraag of een dier wakker is of slaapt, de fundamentele gemak waarmee vloeistof door het weefsel beweegt verrassend vergelijkbaar is tussen deze verschillende soorten. De studie daagt ook een langlopende wiskundige regel uit die wetenschappers al jaren gebruiken om deze waarden te schatten, waarbij wordt aangetoond dat de oude regel consequent onderschat hoe open de paden van de hersenen werkelijk zijn.

Om te begrijpen wat de onderzoekers hebben gedaan, moet men de hersenen eerst niet zien als een solide blok, maar als een spons gemaakt van miljarden cellen. De vloeistof die de hersenen schoonmaakt, stroomt door de kleine openingen tussen deze cellen. In het verleden hebben wetenschappers geprobeerd te schatten hoe breed deze openingen zijn en hoe snel vloeistof door hen heen beweegt, maar de resultaten varieerden enorm, waarbij sommige schattingen suggereerden dat de vloeistof zeer langzaam beweegt en andere suggereerden dat het veel sneller stroomt. Deze onzekerheid komt voort uit het feit dat de hersenen ongelooflijk complex zijn en de openingen tussen de cellen te klein zijn om duidelijk te zien met standaardinstrumenten. De onderzoekers in deze studie omzeilden deze beperkingen door gebruik te maken van elektronenmicroscopie-data, die een zicht bieden op de structuur van de hersenen op een schaal waarop individuele cellen en hun minuscule openingen zichtbaar zijn. Zij namen deze gedetailleerde beelden van de hersenen van ratten, muizen en mensen en transformeerden deze tot computermodellen.

In deze computermodellen konden de onderzoekers de grootte van de openingen tussen de cellen manipuleren. Zij wisten dat het volume van de hersenen verandert met de staat van bewustzijn; bijvoorbeeld, de openingen tussen de cellen worden groter wanneer een dier slaapt en kleiner wanneer het wakker is. Door deze digitale openingen kunstmatig te verbreden en te vernauwen, kon het team observeren hoe de stroming van de vloeistof veranderde als reactie daarop. Zij pasten een zachte druk toe om vloeistof door de modellen te duwen en maten hoeveel vloeistof er in een bepaalde tijd doorheen stroomde. Dit stelde hen in staat om de permeabiliteit, of de gemak van stroming, te berekenen voor elke specifieke arrangement van cellen. Zij voerden deze berekeningen uit op meerdere locaties binnen elk brein om ervoor te zorgen dat hun resultaten consistent waren en niet slechts een toevalstreffer van één specifieke plek.

De resultaten toonden aan dat de permeabiliteit van het reinigingssysteem van de hersenen van een vergelijkbare grootteorde is bij alle drie de soorten. Voor het rattenbrein was de gemiddelde permeabiliteit ongeveer 18 vierkante nanometer. Voor het muizenbrein was het ongeveer 34 vierkante nanometer, en voor het menselijk brein was het rond de 10 vierkante nanometer. Hoewel deze getallen enkele malen verschillen, liggen ze allemaal binnen hetzelfde algemene bereik, wat suggereert dat de basisfysica van de vloeistofstroom in de hersenen behouden blijft bij deze verschillende zoogdieren. De onderzoekers ontdekten ook dat de permeabiliteit drastisch verandert met de grootte van de openingen. Wanneer zij de hersenen simuleerden in een staat waarin de openingen wijder waren, vergelijkbaar met de slaaptoestand, nam de permeabiliteit aanzienlijk toe. In het rattenbrein zorgde het verbreden van de openingen ervoor dat de permeabiliteit met bijna vijf keer sprong. In het muizenbrein was de toename nog dramatisser, met een stijging van meer dan twaalf keer. In het menselijk brein nam de permeabiliteit met bijna negen keer toe. Dit bevestigt dat het vermogen van de hersenen om afval af te voeren sterk afhankelijk is van de fysieke expansie van de ruimtes tussen de cellen, wat een mechanische verklaring biedt voor waarom slaap zo cruciaal is voor de gezondheid van de hersenen.

Een aanzienlijk deel van de studie werd gewijd aan het testen van een standaardformule die wetenschappers al decennia gebruiken om de permeabiliteit in poreuze materialen zoals grond of zand te schatten. Deze formule, bekend als de Kozeny-Carman-vergelijking, relateert de grootte van de openingen aan de gemak van stroming. De onderzoekers pasten deze formule toe op hun hersendata om te zien of deze standhield. Zij stelden vast dat de formule consequent faalde in het voorspellen van de werkelijke stroming die zij in hun simulaties observeerden. In elk geval voorspelde de formule dat de vloeistof veel langzamer zou bewegen dan het in hun gedetailleerde modellen daadwerkelijk deed. De formule onderschatte de permeabiliteit met meer dan de helft in alle drie de soorten. Dit suggereert dat de microscopische structuur van de hersenen te complex en uniek is voor deze algemene formule om nauwkeurig te werken.

Om een beter instrument voor toekomstig onderzoek te bieden, ontwikkelde het team een nieuwe, eenvoudige wiskundige relatie gebaseerd op hun simulatiegegevens. Deze nieuwe formule beschrijft hoe de permeabiliteit verandert naarmate de openingen tussen de cellen groter of kleiner worden. In tegen tegenstelling tot de oude formule, kwam deze nieuwe relatie zeer nauw overeen met de resultaten van hun gedetailleerde computersimulaties. Het biedt een betrouwbaardere manier voor wetenschappers om te schatten hoe snel vloeistof door hersenweefsel kan bewegen onder verschillende omstandigheden, zoals tijdens slaap of waakzaamheid. De onderzoekers testten ook of de specifieke manier waarop de cellen van grootte veranderden ertoe deed. Zij vergeleken een scenario waarin alle cellen uniform krompen of expandeerden met een scenario waarin alleen de stervormige steuncellen, de zogenaamde astrocyten, van grootte veranderden terwijl de anderen gelijk bleven. Zij ontdekten dat beide methoden bijna identieke resultaten opleverden voor de stroming van de vloeistof. Dit impliceert dat de reinigingsefficiëntie van de hersenen primair wordt gecontroleerd door het totale volume van de openingen, ongeacht welke specifieke cellen opzwellen of krimpen.

De studie behandelde ook een eerder mysterie met betrekking tot de snelheid waarmee afval uit de hersenen wordt afgevoerd. Sommige eerdere modellen suggereerden dat de hersenen een zeer hoge permeabiliteit nodig hadden om de snelheid waarmee afval wordt verwijderd te verklaren, een waarde die veel hoger lag dan wat de onderzoekers in hun simulaties vonden. Door hun model te verfijnen om een specifieke route op te nemen waarlangs afval de hersenen verlaat via de ventrikels, de vloeistofhoudende holtes in het midden van de hersenen, waren de onderzoekers in staat om de experimentele observaties van de afvoer van afval te matchen met de lagere, meer realistische permeabiliteitswaarden die zij hadden gemeten. Deze bevinding suggereert dat de hersenen niet zo permeabel hoeven te zijn als eerder gedacht om afval effectief af te voeren, mits de uitgangen via de ventrikels correct worden meegerekend.

De onderzoekers erkenden dat hun werk beperkingen kent. De beelden die zij gebruikten, werden genomen van hersenweefsel dat met chemicaliën was geconserveerd, een proces dat soms de openingen tussen de cellen kan doen krimpen of hun vorm kan veranderen. Zij merkten ook op dat hun modellen de cellen als rigide objecten behandelden, terwijl echte cellen zacht en vervormbaar kunnen zijn. Echter, zij testten het effect van celzachtheid en stelden vast dat dit een zeer kleine impact had op de stroming. Ondanks deze beperkingen biedt de studie de meest directe en gedetailleerde blik tot nu toe op de permeabiliteit van de extracellulaire ruimte van de hersenen. Door af te stappen van brede schattingen en gebruik te maken van realistische, driedimensionale kaarten van de hersenen, heeft het team een nieuwe baseline gevestigd voor het begrijpen van hoe vloeistof door de menselijke hersenen en die van onze dichtstbijzijnde dierlijke verwanten beweegt. Hun werk suggereert dat het reinigingssysteem van de hersenen een robuust, fysiek beperkt proces is dat binnen een voorspelbaar bereik opereert, wat een helderder fundament biedt voor het begrijpen van hoe de hersenen hun gezondheid behouden en hoe zij kunnen falen bij ziekte.