Микроинсульта причины: Статья «Микроинсульт — это большое предупреждение»

лечение и диагностика симптомов, причин в Москве

Общее описание

Вертебробазилярная недостаточность — это состояние, при котором возникает уменьшение кровоснабжения в системе артерий: базилярной и позвоночных. В результате этого состояния нарушается питание и функции головного мозга, в итоге возникают необратимые морфологические изменения мозгового вещества.

По данным статистической литературы люди с вертебробазилярной недостаточностью чаще всего подвержены к возникновению инсультов около 25-30% и транзиторных нарушений мозгового кровообращения в 65-70%.

Причины возникновения вертебро-базилярной недостаточности

Имеются несколько причин возникновения вертебро-базилярной недостаточности:

• Сдавление позвоночных артерий вследствие костных наростов
• Грыжа диска шейного отдела позвоночника
• Остеохондроз шейного отдела позвоночника
• Спазм мышц шеи
• Подвывиха шейных позвонков
• Аномалий развития
• Различные травмы шеи

Симптомы

• Головокружение
• Тошнота и рвота, не приносящая облегчение
• Шум в ушах
• Нарушение речи и глотания
• Внезапное падение без потери сознания
• Нарушение зрения

Диагностика

• Анализы крови (общий клинический, биохимический анализ крови, липидный профиль)
• Короткая коагулограмма
• Ультразвуковое дуплексное санирование сосудов шеи (БЦА) и головного мозга
• Функциональных проб с гипервентиляцией (ЭЭГ)
• Рентгенография в 2-х проекциях шейного отдела позвоночника
• Магнитно-резонансная томография и компьютерная томография шейного отдела позвоночника
• МР-ангиография

Лечение вертебро-базилярной недостаточности

Важное значение в лечении вертебро-базилярной недостаточности играют специалисты различных областей, а так же приверженность к лечению и обследованию самого пациента.

Основные принципы самоконтроля пациента:

• Поддержание АД на оптимальном уровне
• Рациональная диета с ограничением жирной пищи, сахара и соли
• Отказ от употребления алкоголя и табакокурения

При отсутствии положительного результата от немедикаментозной терапии в течение 2-3 месяцев, необходимо назначения лекарственных препаратов. Применяются различные группы препаратов: с целью гипотензивной терапии назначаются ингибиторы АПФ (эналаприл), блокаторы кальциевых каналов (фелодипин), бета-блокаторы (бисопролол, небивалол). При отсутствии лечебного эффекта назначается терапии в комбинации: ингибиторы АПФ+диуретики, бета-блокатор+диуретик.

У пациентов с сопутствующим атеросклеротическим поражением клапанов сердца и периферических артерий назначается антитромбатическая терапия: ацетилсалициловая кислота, дипиридамол, клопидогрель.

Для улучшения мозгового кровообращения применяют пирацетам, циннаризин или комбиниция этих двух препаратов – Фезам.

Физиотерапия — лечебная физкультура.

Найдена неожиданная причина рака мозга

Во время восстановления после черепно-мозговой травмы, инсульта и инфекции что-то может пойти не так, и в итоге у пациента разовьётся рак мозга. Такой вывод сделан в научной статье, опубликованной в журнале Nature Cancer.

Глиобластома – самый распространённый и агрессивный тип рака мозга у взрослых. После постановки такого диагноза пациенту остаётся жить в среднем только 15 месяцев.

В формировании этой страшной опухоли играют ключевую роль так называемые стволовые клетки глиобластомы (СКГ). Однако медики до сих пор не вполне понимают, откуда они берутся.

Авторы нового исследования взяли образцы раковых клеток у 26 пациентов с глиобластомой и позволили клеткам размножиться «в пробирке». В итоге биологи получили почти семь тысяч клеток. Исследователи секвенировали их РНК, чтобы выяснить, какие гены работают (экспрессируются) в этих клетках.

Оказалось, что стволовые клетки глиобластомы имеют два типичных состояния. Первое из них было уже известно экспертам. Оно похоже на бурное деление клеток мозга в период его формирования у плода. А вот второе оказалось полной неожиданностью. Оно напоминает размножение клеток, участвующих в заживлении травмы.

Учёные предположили, как могут образовываться такие СКГ. Пациент получает повреждение головного мозга, будь то черепно-мозговая травма, инсульт (или микроинсульт) либо последствия инфекции. Это повреждение может быть не таким уж опасным само по себе. Но стволовые клетки участвуют в его заживлении, размножаясь и занимая место отмерших клеток. Иногда в их ДНК происходит мутация, из-за которой они уже не могут прекратить размножаться и превращаются в стволовые клетки глиобластомы.

Авторы надеются, что открытие поможет создать новые лекарства против глиобластомы, которая в данный момент очень плохо поддаётся лечению.

Кроме того, учёные обнаружили, что между двумя состояниями стволовых клеток – «как в утробе матери» и «как при заживлении травмы» – есть целый спектр промежуточных вариантов. При этом у каждого пациента своя картина численности тех или иных клеток. Поэтому, возможно, эффективную терапию придётся индивидуально подбирать для каждого пациента.

Ранее Вести.Ru рассказывали о методе тестирования, выявляющем самые опасные клетки глиобластомы. Писали мы и о новых стратегиях лечения рака мозга.

причины, симптомы, лечение — Инсульт, лечение инсульта, диагностика инсульта, реабилитация после инсульта, микроинсульт, питание после инсульта, профилактика инсульта, восстановление после инсульта, что такое инсульт, кровоизлияние в мозг

 Диагноз «микроинсульт» официальной медицине неизвестен. Тем не менее, этот термин направо и налево используется, как ни странно, именно людьми в белых халатах. Давайте сначала разберемся, что понимают под инсультом, а уж потом перейдем к его «младшему» брату. Итак, инсульт, что дословно с латыни означает «приступ» — острое нарушение кровоснабжения головного мозга. Соответственно, микроинсульт — то же самое, только в меньшей, по сравнению с инсультом, степени. Чтобы окончательно убедиться в существовании такого патологического состояния, как микроинсульт, достаточно взглянуть на срез головного мозга (если, конечно, у вас есть знакомый прозектор): довольно часто там можно обнаружить небольшие очаги повреждения, увидеть «мини»-кровоизлияния, притом что у обладателя этого головного мозга инсульт никогда не диагностировался. Это говорит о том, что понятие «микроинсульт» определенно имеет право на жизнь.

 

Причины микроинсульта

 

Часто в качестве причин микроинсульта доводится слышать что-то вроде «устал», «перенапрягся», и т.п. Все это, конечно, может оказать влияние на мозговое кровообращение. Но все эти возможные причины — ничто в сравнении с гораздо более серьезными аргументами, приближающими микроинсульт со крейсерской скоростью и неотвратимостью. Речь идет о «тяжелой артиллерии» сердечно-сосудистой патологии:

• атерогенные изменения сосудов в головном мозге, т.е., проще говоря, атеросклероз. Это наипервейшая причина инсультов и микроинсультов;
• стабильно высокое артериальное давление;
• сердечная аритмия;
• инфарктные состояния часто провоцируют «до кучи» повреждения головного мозга.

Симптомы микроинсульта

 

Чем характеризуется состояние при микроинсульте, другими словами, какие у него симптомы? Как и при инсульте, значение имеет конкретный участок головного мозга, в котором образовалось кровоизлияние. Обычно имеет место совокупность физической и психической усталости от повышенной нагрузки и гипертонии. На этом фоне начинается головная боль и головокружение, повышенная чувствительность вплоть до полного неприятия яркого света и громких звуков. Больного может вырвать, у него нарушается чувствительность в конечностях, ноги и руки немеют, появляются покалывающие ощущения, как будто по коже бегают мурашки. Наблюдаются элементы инсультной симптоматики: паралич конечностей, речевые расстройства (невнятная речь либо кратковременная утрата речи), нарушается двигательная координация.

 

Самое важное отличие микроинсульта от инсульта — это его транзиторность, то есть временный характер: все вышеперечисленные симптомы проходят в течение суток. Фактически, диагноз «микроинсульт»  сразу поставить невозможно: он ставится только «задним числом». Тут все просто: если прошло, значит, микроинсульт, если нет — значит, инсульт. А пройти может очень быстро. Человек может даже ничего не почувствовать. Но пусть вас не вводит в заблуждения такой относительно «легкий» характер микроинсульта. Ему ничего не стоит избавиться от приставки «микро» и развиться в настоящий полноценный инсульт. Да и сами по себе микроинсульты не проходят бесследно: серия таких мелких расстройств мозгового кровообращения может привести к угнетению интеллектуальной функции вплоть до деменции.

 

Диагностика микроинсульта

 

Диагностика микроинсульта основывается на интригующе-непонятных словах «допплерография» и «дуплексное сканирование». Не буду разжевывать, что здесь к чему, главное ухватить самую суть: при помощи ультразвуковой допплерографии и дуплексного исследования оценивается кровообращение в сосудах шеи и головного мозга, идентифицируются возможные тромбы (для этого необходимо пару часов провести в компании с ультразвуковыми доплеровскими датчиками на своей голове).

 

Лечение микроинсульта

 

Врачи не делают никаких принципиальных различий между инсультом и микроинсультом и лечат последний аналогичными методами. Залог успешности проводимого лечения — своевременное обращение за врачебной помощью со стороны пациента. Не хочется сыпать банальностями, но фраза «Время — жизнь» в данном случае как никогда уместна.

 

В первую очередь перед врачами стоит задача восстановления кровотока в месте кровоизлияния и дальнейшее поддержание всех функций мозга на «докризисном» уровне. Для этого назначают препараты, расширяющие просвет сосудов, антиагреганты, ангиопротекторы, ноотропы, метаболические средства.

 

Последующее восстановительное лечение включает в себя массаж, лечебную физкультуру, дыхательные упражнения, физиотерапия, если требуется — то занятия с логопедом. Обязательно регулярное наблюдение у врача.

 

Вся наша жизнь — борьба. Поэтому, профилактические мероприятия во избежание инсультов не выбиваются из рамок данного постулата. Следует дотошно соблюдать режимы, как труда, так и отдыха, сочетать последний с умеренной, но регулярной физической нагрузкой, откорректировать свой рацион питания, забыть о вредных привычках.

 

 

Источник: webmedinfo.ru

 

Что такое инсульт, чем опасен и что важно о нем знать?

🔊 Озвучить страницу

Нарушение мозгового кровообращения, то есть инсульт, входит в ТОП-10 заболеваний, приводящих к смерти.

При этом, по последним научным данным, инсульт, считающийся недугом пожилого возраста, стабильно «молодеет». Поэтому вопросы, от чего бывает инсульт, как диагностировать и как оказывать первую помощь на сегодня актуальны для всех возрастных категорий.

Изначально причин, почему в тканях мозга нарушается кровообращение, две: ишемия (отсутствие кровоснабжения) и кровоизлияние. Именно поэтому заболевание делится на два вида: ишемический и геморрагический. При ишемическом инсульте патологические изменения являются результатом закупорки сосуда, поставляющего кровь к тканям мозга. При этом перекрыть просвет сосуда может тромб, атеросклеротическая бляшка или стеноз (сужение) сосуда. Таким образом, клетки мозга остаются без необходимых для их функционирования веществ, которые поступали к ним с кровью — кислорода и питательных компонентов. В итоге, если ничего не предпринять, они отмирают. Этот вид инсультов встречается наиболее часто (около 80% от всех инсультов).

В случае с геморрагическим видом инсульта, механизм развития патологии другой. Здесь причиной нарушения функционирования нейронов является разрыв сосуда. В результате ткань мозга не только остается без кислорода и питательных веществ, но и находится под давлением накопившейся вокруг крови. Несмотря на то, что геморрагический инсульт возникает реже, чем ишемический, он все же более опасен и в плане летального исхода, и в плане необратимых изменений.

Причины

Необходимо знать, что есть определенные заболевания, которые могут способствовать возникновению инсульта. Ученые выделили их и назвали факторами риска. Лидером в этой группе является артериальная гипертензия. Именно постоянное высокое давление крови на стенки сосудов мозга, а тем более – его резкие скачки, способствует тому, что сосудистые стенки теряют свою эластичность и могут в какой-то момент разорваться.

Рискуют получить инсульт и люди, имеющие сердечные заболевания, особенно связанные с нарушениями сердечного ритма. В этом случае в сосудах часто образуются тромбы, один из которых и может послужить причиной инсульта. Не менее опасен в этом отношении и атеросклероз, когда из-за повышенного уровня холестерина в крови стенки сосудов «обрастают» отложениями, называемыми атеросклеротическими бляшками. Именно эти бляшки сужают просвет сосуда или могут вообще перекрыть его, приводя к ишемии.

Осторожным нужно быть и больным сахарным диабетом, поскольку это заболевание патологически влияет и на стенки сосудов. В результате они истончаются, становятся хрупкими и, как следствие, больше подвержены разрывам. Подобным образом, то есть разрывом, может однажды отреагировать и аневризма мозгового сосуда, то есть расслоение участка сосудистой стенки.

Привести к ишемическому инсульту могут и заболевания, провоцирующие сгущение крови. В этом случае причиной нарушения кровообращения в тканях мозга может стать тромб, образовавшийся из-за нарушения свертываемости крови.

Обратите внимание, что к факторам риска возникновения инсульта отнесены и ожирение, приводящее и к гипертонии, и к повышению холестерина в крови, и избыточное употребление соли, которое также способствует повышению давления. Сюда же зачислены малоподвижный образ жизни, курение, чрезмерное употребление алкоголя и стрессы, также не лучшим образом влияющие на состояние мозговых сосудов. И конечно же, возраст – уже после 30-ти лет современному человеку нужно уделять особое внимание своим сосудам.

Симптомы инсульта

Сам инсульт происходит без симптомов. Только когда клетки мозга начинают отмирать, можно наблюдать проявления инсульта.

• Головокружение, слабость, обморок или даже кома
• Шаткость походки и нарушение координации движений
• Онемение руки и ноги с одной стороны, парализация. При поднятии руки, она падает как плеть. Парализованная стопа всегда повернута кнаружи
• Парализация половины лица
• Глазные яблоки смещены в сторону
• Речь нарушена, язык расположен неестественно

Жизненно важно сразу определить, что это не что иное, как инсульт. Всегда помните: у вас есть всего ТРИ ЧАСА, когда можно избежать необратимых процессов.

Поэтому, если есть хотя бы два из перечисленных симптома, не взирая ни на какие отговоры со стороны больного, срочно вызывайте скорую помощь для госпитализации.

 

Первая помощь при инсульте

• Уложить больного так, чтобы лопатки и голова лежали на подушке на 45 градусов выше тела
• Обеспечить доступ свежего воздуха: открыть окно, расстегнуть верхнюю и нижнюю одежду (воротник и ремень)
• Измерять давление артериальное и, конечно, пульс каждые 5 минут. Если оно высокое пробуйте корректировать его задержкой дыхания
• При признаках тошноты, повернуть больного на бок, снять зубные протезы
• Дайте выпить воды – это нужно для того чтобы разжижать кровь
• Можно дать глицин (аминоуксусная кислота), чтобы успокоить нервную систему больного и улучшить мозговое кровообращение.
• Врачи рекомендуют одномоментный прием глицина 10-12 таблеток. Хорошо если у вас в домашней аптечке всегда будет глицин. Кстати, бригады скорой помощи оснащаются этим препаратом в обязательном порядке, как раз для случаев госпитализации больных с инсультом и инфарктом.

Внимание!

• Не давайте мочегонных и резко снижающих давление препаратов. При инсульте резко снижать давление нельзя! Это чревато возникновением паралича. Для гипертоников можно дать привычные для них лекарства и в привычной дозе.
• Не давайте сосудорасширяющих препаратов (но-шпа, папаверин и др.) – сосуды могут расшириться и кровь из одного участка мозга распространится в неповрежденные.

Профилактика или как избежать инсульта

• Если у вас есть наследственная предрасположенность к инсульту, то вы должны быть настороже. Наблюдение у врача, регулярные анализы крови, кардиограмма, измерение артериального давления должны сопровождать вашу жизнь.
• Здоровый образ жизни:
  • Наладить здоровое питание, исключающее соль, сахар, жаренное и излишне жирное, консервы, колбасы.
  • Отказаться от вредных привычек: курения, излишнего употребления алкоголя и наркотиков.
  • Организовать физическую активность: ежедневный минимум – 3000 шагов.

• После 40 лет ежегодная профилактическая диагностика в поликлинике
• Выработайте привычку после 45 лет регулярно измерять свое артериальное давление. Если оно у вас повышенное, то нужно принять все меры к его нормализации.
• Контролируйте уровень холестерина и сахара в крови

Инсульт намного легче предупредить, чем лечить или реабилитировать больного после приступа. Поэтому при любых нарушениях мозгового кровообращения нужно срочно заняться профилактикой инсульта.

После инсульта

Распространенными осложнениями острых или хронических нарушений мозгового кровообращения являются снижение слуха и нарушения речи. Эти расстройства ведут к большой социальной дезадаптации пациентов, существенному снижению качества их жизни, изоляции в семье и обществе. Почему это происходит?

Нарушение мозгового кровообращения обусловлены недостаточностью артериального кровотока и гипоксией нервных клеток определенных структур головного мозга, что приводит к стойкому ухудшению их функции. Эти нарушения могут носить ишемический или геморрагический характер. Блок кровеносных сосудов, снабжающих артериальной кровью головной мозг, ведет к ишемии. Геморрагическое нарушение кровообращения, в свою очередь, связано с разрывом сосудов и кровоизлиянием в ткани головного мозга.

Оба эти обстоятельства влекут стойкое расстройство или полную утрату функции тех отделов мозга, которые снабжаются кровью из поврежденных сосудов.

Анализ медицинских и статистических данных показывает, что частичная или полная потеря слуха встречается среди самых распространенных последствий нарушения мозгового кровообращения. Однако существует большая недооценка частоты этих нарушений.

Основной причиной тому является скрытая природа тугоухости (снижения слуха) на фоне более явных сопутствующих расстройств, будь то трудности с глотанием, координацией движения, походной, или с речью. Зачастую пациентов в клинику приводят родственники с жалобами именно на сложности речевого общения с ним. Только подробное диагностическое обследование позволяет установить влияние приобретенного снижения слуха и ухудшения разборчивости речи на качество этого общения. Основной формой тугоухости, с которой сталкиваются специалисты у пациентов после перенесенного нарушения мозгового кровообращения, является сенсоневральная (звуковоспринимающая) тугоухость. Причиной этого состояния становится повреждение рецепторных клеток внутреннего уха (улитки), слуховой части преддверно-улиткового нерва или центральных проводящих путей и коркового отдела слухового анализатора, расположенного в височной области головного мозга. Такие исходы мы чаще встречаем у пациентов, имеющих атеросклероз, длительно курящих, страдающих сахарным диабетом или с высоким артериальным давлением. Еще большее число случаев сенсоневральной тугоухости наблюдается у людей с одновременным сочетанием нескольких предрасполагающих негативных факторов.

Самой распространенной среди всех причин нарушения слуха у людей, перенесших инсульт, является ишемия так называемой передне-нижней мозжечковой артерии (более 80% всех наших наблюдений), и, значительно реже, задне-нижней мозжечковой артерии (около 10-12% наблюдений). В обоих случаях замечено четко выраженное одностороннее нарушение слуха на стороне расстройства кровообращения. Поэтому, при любом наблюдение одностороннего расстройства слуха по сенсоневральному типу, пациенты нуждаются в обязательном обследование состояния кровообращения. Это эмпирическое правило приобретает тем большее значение, если учитывать, что в единичных случаях встречаются расстройства кровообращения верхней мозжечковой артерии, приводящие, напротив, к потере слуха на противоположной стороне головы. Наиболее редко обращаются пациенты, у которых снижение слуха связано с нарушением кровообращения ствола головного мозга или его срединных структур — менее 1% наблюдений.

Геморрагические инсульты также приводят к снижению слуха. Для них нет однозначных диагностических признаков, напротив, они характеризуются широкой вариабельностью: одно- или двусторонняя тугоухость, разная степень выраженности процесса от легкой потери слуха до глухоты. У ряда пациентов в процессе длительного наблюдения бывают случаи частичного спонтанного улучшения слуха в течение последующих нескольких недель. Исходя из вышеизложенных фактов хочется обратиться к пациентам, перенесшим эпизод нарушение кровообращения, и их родственникам с рекомендацией своевременно обращаться на аудиологическое исследование к специалистам сурдологам и лор-врачам. Во время выполненная тональная аудиометрия и средства объективной диагностики слуховой функции (КСВП, отоакустическая эмиссия, регистрация акустических рефлексов) позволяют своевременно осуществить слухоречевые реабилитационные мероприятия с лучшим прогнозом. Следует помнить, что эффективные сроки лечения нарушений слуха при его остром снижение ограниченны временными рамками нескольких недель и при длительности жалоб, превышающих 12 недель мы наблюдаем стойкий негативный прогноз. Помимо медицинских возможностей, в ЛОР клинике “Многопрофильный центр слуха и речи” ведутся обучающие программы для родственников пациентов с целью помочь им приложить правильные усилия, ориентировать на научно обоснованные и доказавшие свою эффективность методы психологической, логопедической, слухопротезной и социальной помощи.

По материалам http://surdolog-audiolog.blogspot.com

Потому что мы знаем и умеем!

Транзиторная ишемическая атака и инсульт

Инсульт может развиваться остро или иметь «предвестники» — те же самые повторяющиеся ТИА, резкие перепады артериального давления. Клиническая картина инсульта очень похожа на транзиторную ишемическую атаку; по сути, это более тяжелый вариант дисфункции кровотока, когда проходимость сосуда не только не восстанавливается, но и прекращается так надолго, что клетки участка мозга погибают из-за гипоксии (кислородного голодания).

Клиническая картина инсульта складывается из двух синдромов:

1. Общемозговой:

• сильная головная боль
• головокружение, неустойчивость при ходьбе
• тошнота, рвота
• иногда — судороги, обморок
• сонливость или, наоборот, возбуждение
  чувство оглушенности
• боль в глазных яблоках при их движении
• ощущение «волны жара», сухости во рту
• избыточная потливость

2. Очаговый неврологический (зависит от того, какие анатомо-функциональные зоны головного мозга затронуты):

• нарушения подвижности разных областей тела (лицо, руки, ноги с одной или двух сторон)
• расстройства чувствительности
• расстройства речи, зрения, слуха, в особенно тяжелых случаях — также дыхания, сердечного ритма
• нарушение памяти, восприятия информации
• расстройства психической сферы (эмоциональная расторможенность, галлюцинации)
• нарушения сознания вплоть до комы

Симптоматика инсульта быстро нарастает и не исчезает самопроизвольно, больному требуется неотложная помощь и лечение в условиях реанимационного отделения.

Что опаснее: ТИА или инсульт?

После прочтения предыдущих разделов статьи ответ на этот вопрос должен быть очевиден. Инсульт является тяжелым необратимым нарушением, тогда как ТИА может завершиться самостоятельно без явных последствий. Но это не повод относиться к ней пренебрежительно.

Еще несколько десятилетий назад этим «грешили» даже врачи — но сегодня отношение к ТИА совершенно иное. Почему? Есть несколько причин:

1. Пациенты, которые часто переносят ишемические атаки, имеют высокий риск развития тяжелого (!!!) ишемического инсульта
2. Зная, что симптомы пройдут, пациенты не обращаются к врачу — а их состояние тем временем усугубляется, ведь заболевания, ставшие причиной атаки, прогрессируют
3. ТИА требует грамотного лечения (в стационаре, затем амбулаторно) и постоянного контроля уровня артериального давления

Поэтому, хотя прогноз при инсульте для пациента, безусловно, хуже, любые варианты ТИА являются поводом для немедленного обращения к врачу и неотложной госпитализации в стационар. Больные с транзиторными ишемическими атаками должны знать, чем угрожает это состояние, и совместно с врачом предпринимать необходимые меры для профилактики развития инсульта.

Микроинсульт

Прежде всего, не стоит бросаться к медицинским справочникам в поиске описания микроинсульта, как диагноза. Нет такого термина и в Международной классификации

болезней МКБ-10. Тем не менее, это понятие, как, например, еще одно неведомое официальной медицине словосочетание «спортивное сердце» используется эскулапами довольно часто. Особо въедливые неврологи, с трепетом относящиеся не только к нервной системе своего пациента, но и к профессиональной терминологии, недовольно морщатся, услышав о микроинсульте. Да, возможно определение «транзиторная ишемическая атака» будет более правильным, тем не менее, отдавая дань сложившимся терминологическим традициям, понятие микроинсульт также имеет право на жизнь. Всем известно, что такое инсульт: острое нарушение мозгового кровообращения. Так вот микроинсульт — это первый сигнал, своеобразная прелюдия надвигающегося инсульта, когда в головном мозге образуются мелкие очаги повреждения, микрокровоизлияния. В отличие от инсульта, признаки микроинсульта выражены не так явно и проходят спустя сутки после приступа. По статистике в трех из четырех случаях нарушения мозгового кровообращения имеет место именно микроинсульт.

Что может послужить причиной микроинсульта? Одним лишь психофизическим перенапряжением микроинсульт не объяснишь: есть гораздо более веские причины, связанные в первую очередь с кардиоваскулярной патологией:

Особенностью микроинсульта является тот факт, что судить о его наличии можно только постфактум. Почему? Ответ содержится в ключевом отличии микроинсульта от инсульта: его преходящий, временный характер. Признаки микроинсульта проходят в течение суток. Таким образом, если состояние пациента нормализовалось — это микроинсульт. В противном случае стоит вести речь о полноценном инсульте. Конечно, самым разумным решением в данной ситуации видится немедленное обращение к неврологу при наличии каких-либо подозрений на нарушение мозгового кровообращения. И пусть никого не смущает префикс «микро»: серия подобных небольших расстройств мозгового кровообращения может привести к снижению интеллекта пациента вплоть до развития деменции.

«Шепчущие» инсульты — обычное явление.

2 августа 2007 г. — Исследователи придумали новый термин «шепчущий инсульт» для инсультов с незаметными симптомами, которые врачи и пациенты могут не заметить.

Но шепчущие штрихи не должны затихать. Новое исследование показывает, что инсульты шепотом могут снизить физическое и умственное функционирование пациентов и снизить качество их жизни.

«Людям необходимо более серьезно относиться к этим симптомам и обращаться к врачу по поводу них», — говорит исследователь Джордж Ховард, DrPH, в пресс-релизе Американской кардиологической ассоциации.

Ховард работает в Школе общественного здравоохранения Университета Алабамы в Бирмингеме. Его исследование опубликовано в сегодняшнем раннем онлайн-выпуске журнала Stroke .

Узнать симптомы инсульта

Прежде чем вы прочитаете об исследовании Говарда, просмотрите следующий список симптомов инсульта:

• Внезапное онемение или слабость лица, руки или ноги (особенно на одной стороне тела)
• Внезапное замешательство, проблемы с речью или пониманием речи
• Внезапное нарушение зрения в одном или обоих глазах
• Внезапное нарушение ходьбы, головокружение, потеря равновесия или координации
• Внезапная сильная головная боль без известной причины

Немедленно обратитесь за неотложной помощью, если вы или кто-то из ваших знакомых испытывает эти симптомы, даже в легкой степени.

Эти симптомы не всегда указывают на инсульт, но ставки слишком высоки, чтобы увидеть, проходят ли симптомы. Инсульт — вторая причина смерти взрослого населения США. Это также основная причина инвалидности.

Инсульт случается, когда кровоток к мозгу прерывается. Большинство инсультов — это ишемические инсульты, вызванные сгустками крови. Препараты, разрушающие сгустки крови, следует назначать вскоре после появления симптомов инсульта.

Другие инсульты — это кровоточащие (геморрагические) инсульты, которые случаются, когда кровеносный сосуд в головном мозге начинает протекать.Транзиторные ишемические атаки (ТИА), часто называемые мини-инсультами, быстротечны, но все же могут вызвать необратимые повреждения.

Whispering Stroke Study

Команда Ховарда изучила более 21000 афроамериканцев и белых взрослых американцев в возрасте 45 лет и старше. Они заполнили анкету об их общем состоянии здоровья.

В опрос были включены следующие шесть вопросов о симптомах инсульта:

• Были ли у вас когда-нибудь внезапные безболезненные слабости на одной стороне тела?
• Было ли у вас когда-нибудь внезапное онемение или ощущение мертвенности на одной стороне тела?
• Была ли у вас внезапная безболезненная потеря зрения на один или оба глаза?
• Вы когда-нибудь внезапно теряли половину зрения?
• Вы когда-нибудь внезапно теряли способность понимать, что говорят люди?
• Вы когда-нибудь внезапно теряли способность выражать свои мысли устно или письменно?

Участники также отметили любой диагноз инсульта или ТИА и оценили свое физическое благополучие, умственное функционирование и качество жизни.

Часто шепчущие инсульты

Почти три четверти участников сообщили об отсутствии в анамнезе симптомов инсульта и диагноза инсульта или мини-инсульта.

Но значительное меньшинство — почти 16% всех участников — по-видимому, перенесли «инсульты шепотом». У них были симптомы инсульта, но никогда не диагностировали инсульт или мини-инсульт.

Люди, перенесшие инсульт шепотом, дали себе более низкие оценки физического благополучия, умственных способностей и качества жизни, чем люди, не имевшие в анамнезе симптомов инсульта.

Непонятно, что было раньше — шепот или ухудшение здоровья. Как и другие инсульты, инсульты шепотом были связаны с риском для здоровья, включая высокое кровяное давление и диабет.

Шепчущие удары, кажется, «довольно распространены», пишут исследователи, среди которых был Джордж Ховард, доктор медицинских наук, из Университета Алабамы в Бирмингемской школе общественного здравоохранения.

Команда Ховарда предупреждает, что если у кого-то инсульт шепотом, у него может быть больше шансов получить еще один удар.Это еще одна причина всегда обращать внимание на симптомы инсульта — будь то шепот или крик, требующий внимания.

Поговорите со своим врачом, чтобы оценить риск инсульта и узнать, как снизить риск инсульта с помощью диеты, физических упражнений, отказа от курения и приема лекарств, если это необходимо.

• Найдите других людей, перенесших инсульт, или близких людей, перенесших инсульт, в группе поддержки WebMD по инсульту.

Тяжесть микроинсультов зависит от топологии сосудов и исходного уровня перфузии.

1 Резюме

Кортикальные микроинфаркты вызываются нарушениями кровотока и связаны с такими патологиями, как церебральная амилоидная ангиопатия и деменция.Несмотря на их значимость для прогрессирования заболевания, микроинфаркты часто остаются невыявленными, а наименьший масштаб нарушения еще не определен. Мы используем моделирование кровотока в реалистичных микрососудистых сетях коры головного мозга мыши, чтобы количественно оценить влияние окклюзии отдельных капилляров. Мы обнаружили, что на тяжесть микроинсульта сильно влияет топология сосудов и исходная скорость кровотока в закупоренном капилляре. Наибольшие изменения скорости потока наблюдаются в капиллярах с двумя входящими и двумя выходными потоками.Интересно, что эта конкретная топологическая конфигурация встречается только с частотой 8%, в то время как большинство капилляров, вероятно, предназначены для эффективного снабжения кислородом и питательными веществами. Взятые вместе, микроинсульты, вероятно, вызывают каскад локальных нарушений в окружающей ткани, которые могут накапливаться и локально ухудшать энергоснабжение.

2 Введение

Поскольку запасы энергии в мозге ограничены, постоянное снабжение кислородом и питательными веществами имеет решающее значение для предотвращения локального повреждения тканей.Соответственно, нарушение кровотока даже на уровне отдельных сосудов может привести к поражению корковой ткани, так называемым микроинфарктам [1-5]. В последние десятилетия стало очевидно, что микроинфаркты связаны с различными патологиями, например церебральная амилоидная ангиопатия (CAA), когнитивные нарушения, болезнь Альцгеймера (AD) и деменция [6-10]. Например, посмертные невропатологические исследования показали, что 62% пациентов с сосудистой деменцией также страдали корковыми микроинфарктами [11]. Более того, предполагаемое общее количество микроинфарктов на человека может достигать нескольких тысяч [12, 13].

Микроинфаркты могут быть ишемическими (микроинсульт) или геморрагическими (микрокровоизлияние, микрокровоизлияние в мозг) [7-9, 14]. Размер образовавшегося поражения ткани сопоставим с микроинсультами и микрокровоизлияниями [7]. В зависимости от серьезности и степени нарушения кровотока диаметр задокументированных микроинфарктов колеблется от 50 мкм до нескольких миллиметров [2, 4, 5, 7, 9-11]. Этот небольшой размер затрудняет обнаружение in vivo и микроинфарктов. Более точно, было высказано предположение, что у людей только микроинфаркты> 1 мм могут быть обнаружены in vivo с помощью магнитно-резонансной томографии высокого разрешения (МРТ) или диффузионно-взвешенной МРТ [9].В исследованиях ex vivo обнаружению микроинфартов препятствует a priori неизвестное местоположение микроинфаркта. Этот аспект вносит свой вклад в трудности количественной оценки бремени микроинфаркта всего мозга.

Для решения этих проблем были созданы различные модели на животных, которые позволяют более детально изучить этиологию микроинфарктов [7]. Путем окклюзии отдельных или множественных сосудов посредством фототромбоза [1-5, 15-19] или путем инъекции микроэмболов [20-25] можно индуцировать микроинсульты и изучать их влияние на кровоток и окружающую нервную ткань.В центре внимания большинства существующих исследований находится окклюзия проникающих сосудов. Вероятно, это связано с тем, что из-за их одномерной топологии [26-28] проникающие сосуды были идентифицированы как «узкое место перфузии» [1]. Следовательно, окклюзия одного проникающего сосуда вызывает значительное повреждение тканей [1-5, 16], а также функциональный дефицит и когнитивные нарушения [2, 5]. Кроме того, появление этих микроинфарктов сравнимо с микроинфарктами у людей [2], и было высказано предположение, что микроинфаркты человека часто сосредоточены вокруг проникающих артериол [29, 30].Таким образом, окклюзия отдельных проникающих артериол оказалась подходящей моделью на животных для изучения воздействия и прогрессирования микроинфарктов.

Меньше внимания уделялось окклюзии ответвлений нисходящей артериолы (DA) и капилляров. В то время как окклюзия отростков DA вызывает максимальный объем инфаркта 0,8 нл (в 275 раз меньше, чем при окклюзии DA), при окклюзии капилляров> 2 ответвлений от DA не может быть обнаружено никакого повреждения ткани [2].Однако влияние анестезии на эти результаты остается неизвестным. Это связано с тем, что анестезия может действовать как сосудорасширяющее средство и имеет тенденцию увеличивать поток эритроцитов (эритроцитов) и оксигенацию тканей [31, 32]. Важно отметить, что также было показано, что окклюзия одиночного капилляра вызывает реверсирование потока и снижение скорости эритроцитов до 90% в сосудах ниже закупоренного капилляра [16].

Кроме того, окклюзия одного капилляра может вызывать образование и изменять морфологию бляшек бета-амилоида (Aβ) [17], которые связаны с AD и CAA.Интересно, что отложения Aβ часто наблюдаются в ядре более крупных микроинфарктов [33, 34] и связаны с нарушениями кровотока, что в конечном итоге может привести к микрокровоизлияниям [6]. Более того, более высокая распространенность Aβ, как было показано, отрицательно влияет на клиренс тканей через периваскулярную систему [35–37] и, таким образом, может еще больше усугубить накопление отложений Aβ. Вместе взятые, даже если окклюзия отдельного капилляра не может напрямую привести к локальному повреждению ткани, она нарушает местный кровоток и очищение ткани и, таким образом, может быть важным фактором в развитии и прогрессировании более серьезных нарушений и патологий.

Дальнейшие исследования изучали эффект одновременной закупорки нескольких капилляров или нескольких микрососудов большего калибра [15, 25]. Underly et al. [15] показали, что закупорка ~ 10 проксимальных капилляров посредством фототромбоза приводит к ухудшению гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Кроме того, в ответ на инъекцию ~ 1500 микросфер полистирола (10 или 15 мкм) через сонную артерию Lam et al. [25] временно наблюдали небольшие гипоксические области и локальную обрезку синапсов.Накопление закупоренных капилляров также может влиять на общую перфузию кортикальной сосудистой сети. В модели мышей с БА Cruz Hernandez et al. [38] показали, что при закупорке 2% капилляров корковый церебральный кровоток снижается на ~ 5%.

Эти аспекты подчеркивают критическую потребность в углубленной количественной оценке изменений кровотока в ответ на окклюзию одного капилляра, чтобы лучше понять роль этих небольших нарушений кровотока в развитии вышеупомянутых патологических состояний.Более того, важно определить наименьший масштаб нарушения, вызывающего реакцию в тесно связанных сосудах и проксимальной части нервной ткани. Количественная оценка наименьшего масштаба нарушения является предпосылкой для правильной интерпретации нарушений и изменений, наблюдаемых в более крупном масштабе. Также важно отметить, что, глядя на минимально возможный масштаб окклюзии, можно получить ценную информацию об устойчивости перфузии и расширить наши знания о топологических характеристиках кортикальных капилляров.

Здесь мы используем моделирование кровотока в реалистичных микрососудистых сетях коры мышей [28, 39, 40], чтобы изучить влияние окклюзии отдельных капилляров на перфузию кортикальных микрососудов. Использование подхода in silico дает несколько преимуществ. Прежде всего, сложно отслеживать изменения кровотока in vivo с разрешением одного сосуда в нескольких сосудах или даже целых сосудистых сетях одновременно. Эта проблема становится еще более заметной, если основное внимание уделяется изменениям кровотока в капиллярном русле, которое сильно взаимосвязано [26, 28, 39, 41-43] и в котором поле потока сильно неоднородно и колеблется [39, 40 , 44-47].Для данной установки численного моделирования известно поле течения в каждом судне в любой момент времени. Во-вторых, исследования in silico позволяют нам изолированно исследовать влияние одиночных окклюзий капилляров. Это контрастирует с анализом in vivo , где закупорка капилляров всегда будет сопровождаться ответом со стороны непосредственно соседних клеток (например, эндотелиальных клеток, муральных клеток, микроглии).

Изучая изменения кровотока в ответ на закупорку 96 различных капилляров, мы обнаружили, что тяжесть микроинсульта сильно зависит от местной топологии сосудов и базовой скорости кровотока в закупоренном капилляре.Точнее, в худшем случае скорость потока падает на 80% в непосредственной близости от закупоренного капилляра. Кроме того, микроинсульт локально уменьшает количество доступных путей потока между DA и восходящими венулами (AV). Этот аспект также может играть важную роль в повышении регуляции кровотока во время нейронной активации, поскольку способность микрососудов адаптироваться к локальным изменениям потребности в энергии может быть нарушена в поле нарушенного потока. Наши результаты также показывают, что различные локальные сосудистые топологии не только важны для тяжести микроинсульта, но и что разные топологии могут фактически выполнять разные функциональные задачи.Мы постулируем, что существует топологическая разница между капиллярами, ответственными за распределение крови, и капиллярами, ответственными за доставку кислорода и питательных веществ в кортикальную ткань.

Таким образом, наша работа обеспечивает углубленную количественную оценку изменений потока в ответ на окклюзию отдельных капилляров и выявляет новые топологические характеристики кортикальной микрососудистой сети. Наши результаты дают ценную информацию о роли микроинфарктов, которая актуальна для будущих исследований in vivo , а также для прогрессирования различных патологий в целом.

3 Результаты

Следующие результаты основаны на усредненном по времени моделировании кровотока в реалистичных микрососудистых сетях (MVN). Реалистичные MVN и структура моделирования были представлены в предыдущих публикациях [28, 39, 48]. Краткое описание обоих приведено в разделе «Методы». В общей сложности мы выполнили 96 симуляций микроинсульта, чтобы исследовать влияние микроинсульта на местную перфузию и выявить ключевые факторы, определяющие тяжесть микроинсульта. Чтобы вызвать микроинсульт, мы сужаем диаметр капилляра микроинсульта (MSC) до 0.01 мкм, что снижает скорость потока в MSC до <10 ⁻¹⁰ мкм ³ мс ⁻¹⁰ . Подробности относительно выбора МСК и расчета относительных изменений потока Δ q _ij приведены в Методиках и в дополнительной таблице 1.

3.1 Тяжесть микроинсульта определяется местной топологией сосудов

Бифуркации микрососудов бывают расходящимися или сходящимися. Таким образом, в зависимости от типов бифуркации в исходной и целевой вершине MSC, в MSC возможны четыре топологические конфигурации (рис. 1a-d).Чтобы исследовать влияние топологической конфигурации на серьезность микрохода, мы выполняем восемь симуляций микрохода для каждой конфигурации. На основе усредненного по времени поля потока до и после удара мы вычисляем пороговое относительное изменение потока Δ q _ij для каждого сосуда (методы).

Рисунок 1

Влияние местной топологии сосудов на тяжесть микроинсульта. a) -d) Иллюстрация четырех возможных топологических конфигураций капилляра микроинсульта (MSC).Для каждой топологической конфигурации представлена ​​схема (вверху слева) и реалистичный пример (внизу справа). Изображены МСК (темный) и прилегающие к нему сосуды (серые, поколения -1 и 1). Стрелки показывают направление потока. e) -f) Среднее относительное изменение скорости потока для Δq _ij капилляров до и после MSC. Для каждой топологической конфигурации было вычислено поле течения для восьми микроударов. Среднее относительное изменение за поколение для каждого из восьми симуляций изображено сферами с цветовой кодировкой.Обратите внимание, что количество судов выше и ниже по течению на поколение варьируется в зависимости от MSC. Коробчатые диаграммы основаны на данных для каждого поколения.

На первом этапе мы анализируем относительные изменения потока Δ q _ij в сосудах до пяти поколений до и после MSC. На рис. 1e-g показано, что относительные изменения больше для МСК, питаемых двумя вышестоящими сосудами, и для МСК, питающихся двумя нижележащими сосудами. Для наихудшего сценария , т.е.е. МСК со сходящейся бифуркацией вверх по течению и расходящейся бифуркацией вниз по течению ( 2-in-2-out , рис. 1a и e), среднее относительное изменение все еще составляет> 20% в поколении ± 3 от места окклюзии. В отличие от лучшего сценария , т. Е. MSC с расходящейся бифуркацией вверх по течению и сходящейся бифуркацией вниз по течению (1-в-1-выход , рис. 1d и h), среднее относительное изменение ниже 10% при генерации ± 3. Различия между 2-in-2-out и 1-in-1-out еще более выражены для судов поколения ± 1.Здесь среднее относительное падение кровотока достигает 80% для 2-in-2-out , в то время как оно составляет только 15% и 40% для поколений -1 и 1 соответственно для 1-in-1- из .

2 входа 1 выход и 1 вход 2 выхода являются промежуточными типами MSC (рис. 1 b-c и f-g). Например, на стороне входа 2-in-1-out претерпевает относительные изменения, сравнимые с 2-in-2-out , в то время как на стороне вниз по потоку тенденции соответствуют тенденциям, наблюдаемым для 1-in-1. -из .Примечательно, что для данного примера изменения на стороне входа меньше, чем для 2-in-2-out , и больше на стороне выхода по сравнению с 1-in-1-out .

Анализ изменений направления потока показывает, что окклюзия 2-in-2-out в основном приводит к реверсированию потока в одном из двух сосудов в поколении -1 и 1 (дополнительный рисунок 1a). Это правдоподобно, потому что с точки зрения динамики жидкости есть только два возможных исхода для окклюзии 2-в-2-вых .Во-первых, наблюдаемое изменение направления потока при генерации ± 1. Вторым было бы полное прекращение кровотока в поколении ± 1, что привело бы к значительно большему объему инфаркта и, таким образом, увеличило бы тяжесть микроинсульта. Прекращение потока в генерации ± 1 наблюдалось только один раз после 2-в-2-вых и дважды перед 2-в-1-вых . Во всех трех сценариях очень специфическая топология была идентифицирована в поколении 1 ( 2-in-2-out ) / — 1 ( 2-in-1-out ), где два резервуара поколения ± 1 подключены к Судно того же поколения ± 2 (дополнительный рисунок 1b).Мы пришли к выводу, что прекращение потока в сосудах, прилегающих к MSC, встречается редко и что менее серьезное реверсирование потока встречается чаще. Интересно отметить, что закупорка капилляра 1-in-1-out не вызывает никаких изменений направления потока.

Для прогнозирования поступления кислорода и питательных веществ в ткани вокруг МСК важно учитывать изменения в капиллярах, которые находятся в непосредственной близости от МСК, но не непосредственно перед или после МСК. Поэтому мы определяем аналитическую рамку вокруг MSC и вычисляем его общий приток до и после инсульта (рис. 2a-d, методы).Начальный объем аналитического бокса устанавливается на 200 000 мкм ³ и выбирается таким образом, чтобы каждый MSC вписывался в начальный объем бокса и чтобы бокс имел по крайней мере пять входов. Объем ящика постепенно увеличивается, а относительная разница притока пересчитывается. Этот анализ позволяет нам прокомментировать снижение перфузии объема ткани вокруг капилляра МСК. Более того, он обеспечивает оценку объема ткани, на которую влияет снижение перфузии в ответ на микроинсульт.

Рис. 2

Уменьшение потока в аналитическом боксе вокруг капилляра микроинсульта (MSC). a) -d) Относительная разница притока для увеличивающегося объема бокса вокруг MSC для четырех типов MSC. а) 2 входа 2 выхода , б) 2 входа 1 выход , в) 1 вход 2 выхода и г) 1 вход 1 выход . Начальный объем коробки, т.е. объемный коэффициент = 1, составляет 200000 мкм ³ . Относительная разница притока рассчитывается путем сложения притоков через границы прямоугольника для базовой линии и моделирования хода (методы).д) Верхняя панель: Схема для ознакомления с концепцией сосудов, параллельных MSC (методы). Нижняя панель: реалистичный пример кромок в коробке объемом 1 000 000 мкм ³ , т.е. объемный коэффициент = 5. США: вверх по потоку. DS: нисходящий поток. f) -h) Относительная общая разница потоков для увеличивающегося объема бокса вокруг 2-in-2-out MSC для сосудов вверх и вниз по потоку (f), параллельных сосудов (g) и удаленных сосудов (h). Относительная общая разница расхода рассчитывается путем сложения взвешенного по длине расхода для базовой линии и моделирования хода (методы).Восемь микров штрихов на топологическую конфигурацию изображены сферами с цветовой кодировкой. Коробчатые диаграммы основаны на данных для каждого поколения.

В соответствии с относительными изменениями потока в емкостях выше и ниже по потоку (рис. 1e-h) мы наблюдаем наибольшее сокращение притока для 2-in-2-out (Рисунок 2a). Для начального объема бокса, то есть объемного коэффициента 1,0, медианное сокращение притока достигает -19%. При объемном коэффициенте 1,5 среднее снижение притока уже падает до -5.5%. Однако только после достижения объема 600 000 мкм ³ (объемный коэффициент: 3,0) среднее сокращение притока приближается к 0%. Для MSC-типа 2-in-1-out медианное сокращение притока при объемном коэффициенте 1,0 составляет -12% (рис. 2b). Ткань вокруг MSC-типов 1-в-2-из и 1-в-1-из не претерпевает значительных изменений в общем притоке. Здесь для всех объемных факторов разница медианного притока меньше 5%.

Важно отметить, что на результирующее сокращение притока в анализирующем боксе также влияет топологическая связность вокруг MSC и перераспределение потока в ответ на микроудержание.Эти аспекты становятся очевидными, если мы сравним относительные изменения потока в судах с различным топологическим положением относительно MSC. Мы выделяем три топологических положения: 1) суда, которые находятся непосредственно вверх и вниз по течению от MSC, 2) суда, идущие параллельно MSC, и 3) суда, которые не принадлежат к первым двум категориям, то есть удаленные суда (Рисунок 2e, Дополнительные Рисунок 2e, Методы).

Дополнительный рисунок 2a показывает, что при объемном коэффициенте до 2,5 более 50% сосудов в боксе для анализа находятся непосредственно перед или после MSC.В этих сосудах наблюдается значительное сокращение потока (рис. 2е). Напротив, в сосудах, которые идут параллельно MSC, мы наблюдаем увеличение потока (рис. 2g). Это ясно указывает на то, что во время микроинсульта поток перераспределяется по путям, параллельным МСК. Однако только около 20% капилляров параллельны в боксе для анализа (дополнительный рисунок 2b), и, следовательно, мы все еще наблюдаем общее снижение потока в боксе для анализа. В третьей категории судов, удаленных сосудах, средняя относительная разность потоков составляет менее 2% для всех объемных факторов (рис. 2h).Этот результат подтверждает, что влияние микроинсульта наиболее выражено в сосудах, которые напрямую связаны с МСК.

Недостаток заключается в том, что для объема ткани 600 000 мкм ³ (т.е. объемный коэффициент = 3) по крайней мере 40% сосудов находятся на расстоянии и параллельны в боксе для анализа (дополнительный рисунок 2d). Эта топологическая конфигурация может быть полезной для устойчивости перфузии объема ткани вокруг MSC. Потому что, даже если общий приток уменьшается в объеме ткани вокруг МСК, всегда есть часть сосудов в боксе для анализа, на которые не оказывает существенного влияния микроинсульт (удаленные сосуды), и сосуды, которые испытывают увеличение потока в ответ на микроинсульт (параллельные сосуды).Таким образом, можно избежать еще большего падения общей перфузии и обеспечить минимальную остаточную перфузию.

3.2 Базовая скорость потока МСК увеличивает площадь воздействия микроинсульта

Наши результаты показывают, что локальная сосудистая топология играет решающую роль в тяжести микроинсульта. Чтобы определить дополнительные структурные и функциональные характеристики, относящиеся к уровню изменения потока в ответ на микроинсульт, мы повторяем наш анализ для восьми дополнительных подмножеств сосудов.Мы смотрим на влияние базовой скорости потока в MSC (случай 5), глубины коры (случаи 8-12) и расстояния до проникающих сосудов (случай 6-7). Обзор критериев выбора для каждого подмножества сосудов представлен в дополнительной таблице 1. Для каждого случая было выполнено восемь симуляций микроходов. В этом исследовании мы фокусируемся на MSC 2-in-2-out , потому что здесь мы ожидаем самых больших изменений.

Из всех дополнительно протестированных случаев только базовая скорость потока в MSC влияет на тяжесть микроинсульта.Хотя относительные изменения до поколения ± 3 существенно не различаются для низкого и высокого базового расхода потока, относительное изменение в поколении ± 5 все еще составляет ~ 10% для MSC с высоким базовым расходом (дополнительный рисунок 3a-b). ). Этот результат подтверждается анализом изменения общего притока в аналитическую коробку вокруг MSC (дополнительный рисунок 3c-d). При среднем снижении притока -37% для начального объема бокса уменьшение притока почти вдвое больше для капилляров с высоким исходным потоком.Более того, среднее снижение притока все еще составляет -14% для объема бокса 600 000 мкм ³ , то есть объемного фактора 3.

Только очень небольшие различия могут наблюдаться для окклюзии МСК на разной глубине кортикального слоя. (Дополнительный рисунок 4a-d). Эти различия, вероятно, можно объяснить общим уменьшением скорости потока по глубине и более однородным полем потока для более глубоких корковых слоев [39, 46, 49, 50]. Более того, наши результаты предполагают, что положение МСК на пути между DA и AV не играет значительной роли в тяжести микроинсульта (дополнительный рисунок 5).

3.3 MSC-тип

1-in-1-out обеспечивает самый большой объем ткани и является наиболее частым MSC-типом

Значительное влияние различных топологических конфигураций на тяжесть микроинсульта вызывает вопросы о частоте наличие и распределение различных MSC-типов в реалистичном MVN. Обратите внимание, что следующие исследования основаны на двух реалистичных MVN, которые вместе охватывают объем ткани ∼3,6 мм ³ и содержат 31 400 сосудов.

Интересно, что наихудший сценарий , то есть MSC-тип 2-in-2-out , встречается только с частотой 8%, тогда как лучший сценарий , то есть MSC-тип 1- in-1-out , составляет 43% всех возможных MSC (рис. 3b). Более того, средний поставляемый объем ткани 1 на 1 на выходе на 79% больше, чем предоставленный объем ткани 2 на 2 на выходе (рис. 3c, Методы). Следовательно, всего 53% ткани снабжается капиллярами 1-в-1-вых и только 6% снабжается 2-в-2-вых капиллярами.Это также становится очевидным на рисунке 3f, где объем ткани реалистичного MVN1 имеет цветовую кодировку в зависимости от типа MSC, с помощью которого он поставляется. Различия в среднем объеме поставляемой ткани частично вызваны большей средней длиной сосуда — капилляров 1-in-1-out (дополнительный рисунок 6b).

Рисунок 3

Характеристики четырех топологических конфигураций капилляра микроинсульта (MSC). а) Схема четырех топологических конфигураций в MSC. MSC имеет цветовую кодировку в соответствии с рисунками b) -f).б) Частота появления четырех типов MSC. c) Медиана предоставленного объема ткани для четырех типов МСК (методы). г) Средняя скорость потока для четырех типов MSC. д) Среднее количество уникальных путей, ведущих через МСК от нисходящей артериолы (DA) к восходящей венуле (AV). е) сеточное представление ткани, в которую встроена реалистичная микрососудистая сеть (MVN). Точки ткани имеют цветовую кодировку в зависимости от ближайшего типа MSC. Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из .Статистика основана на всех капиллярах, которые соответствуют общим критериям отбора, описанным в Методиках. Пятый критерий выбора менее строг для текущего анализа, то есть капилляр должен находиться только на одном сегменте от DA / AV, а шестой критерий не применяется. В результате получается 4818 и 8544 капилляров для анализа на MVN1 и MVN2 соответственно. Сначала вычисляется медиана внутри каждого MVN, а затем — среднее значение по двум MVN.

Небольшое количество капилляров 2-in-2-out и небольшое снижение потока для частого MSC-типа 1-in-1-out предполагают, что кортикальные микрососуды по своей природе устойчивы к окклюзии одного капиллярный.Значительные различия в поставляемом объеме ткани еще раз подчеркивают этот аспект.

На рис. 3d показано, что средняя скорость потока в капилляре 2 входа 2 выхода в 2,3 раза больше, чем в капилляре 1 вход 1 выход . Поскольку более высокая базовая скорость потока увеличивает площадь воздействия микроинсульта, мы заключаем, что эти различия вносят дополнительный вклад в серьезность микроинсульта в конфигурации 2-in-2-out . Мы предполагаем, что разные локальные топологические конфигурации могут выполнять разные задачи в микрососудистом кровоснабжении.В то время как 2-in-2-out капилляры могут быть более подходящими для распределения крови в кортикальных микрососудах, 1-in-1-out капилляры, вероятно, предназначены для надежной доставки кислорода и питательных веществ в кортикальную ткань. Эта гипотеза подкрепляется количеством уникальных путей, идущих от DA к AV через различные типы MSC (рис. 3e, методы). В то время как для 1-in-1-out у нас есть только 8 уникальных путей, соединяющих DA и AV, для 2-in-2-out у нас есть 75 уникальных путей.Наблюдаемые тенденции согласуются между двумя MVN (дополнительный рисунок 7). Однако следует отметить, что общая средняя скорость потока больше в MVN2, а количество путей на сосуд значительно больше в MVN1. Последнее, вероятно, вызвано более высокой плотностью проникающих сосудов в MVN2, что уменьшает количество сильно взаимосвязанных путей потока через капиллярный слой.

Затем мы спросили, варьировалась ли частота MSC-типов по глубине коры (дополнительная таблица 2) или по пути между DA и AV (дополнительная таблица 3).Последнее исследование было выполнено путем изменения ограничения на минимальное расстояние между MSC и DA и AV, соответственно. Для обоих исследований не удалось обнаружить существенных различий в частоте MSC-типа. Как упоминалось ранее, средняя скорость потока значительно снижается по глубине кортикального слоя (-66% и -80% для MVN1 и MVN2, соответственно). Это согласуется со всеми типами MSC (дополнительный рисунок 8f-j). Максимальная разница в среднем объеме поставляемой ткани между анализируемыми слоями (AL) составляет 36%.Однако не может быть выявлено последовательной тенденции изменения объема поставляемой ткани по глубине (дополнительный рисунок 8k-o). Важно отметить, что самый большой поставляемый объем ткани обнаружен для капилляров 1-в-1-из во всех AL, и относительный объем поставляемой ткани (дополнительный рисунок 8p-t) существенно не меняется с глубиной. Следовательно, наш вывод утверждает, что капилляров 1-в-1-из могут быть ключевыми капиллярами для разряда питательных веществ и кислорода.

Для дальнейшего выяснения распределения четырех типов MSC вдоль капиллярного пути мы вычисляем минимальное и среднее расстояние для каждого капилляра до главной ветви DA и AV (дополнительный рисунок 6).Имейте в виду, что почти для всех капилляров существует несколько путей, ведущих к DA и AV. Здесь мы анализируем минимальное и среднее расстояние для набора всех доступных путей. Как минимальное, так и среднее расстояние показывают, что 1-в-2-выход имеет тенденцию быть типом MSC, ближайшим к DA, а 2-в-1-выход — ближайшим к AV. С топологической точки зрения это правдоподобно, потому что кровь распределяется в капиллярное русло ( 1-в-2-вых, ) рядом с DA, и она повторно собирается на венульном конце капиллярного русла ( 2-в- 1-из ).Примечательно, что 76,5% всех путей между DA и AV содержат каждый тип MSC хотя бы один раз (MVN1: 92%, MVN2: 61%). Тип MSC, 2-in-2-out , — это тот, который наиболее часто отсутствует на пути между DA и AV.

3.4 Микроход локально уменьшает количество доступных путей потока

Для дальнейшего исследования перераспределения потока во время микрохода мы анализируем количество путей потока, ведущих от DA к AV. С этой целью мы следуем за потоком вниз по потоку от основной ветви DA, пока он не достигнет главной ветви AV (рисунок 4b, Методы).Важно отметить, что из-за конечного размера MVN различные пути потока не начинаются в DA или не заканчиваются в AV. Эти пути потока не рассматриваются (Методы).

Рисунок 4

Изменения в путях прохождения потока в ответ на микроинсульт в MVN1. а) Схема четырех топологических конфигураций капилляра микроинсульта (MSC). MSC имеет цветовую кодировку в соответствии с рисунками c) и e). b) Схема для представления DA-AV-пар конечных точек и концепции потоковых путей через MSC. В проиллюстрированном примере 15 потоковых путей, проходящих через MSC, и 6 пар DA-AV-оконечных точек .Показаны только пути через MSC. c) Относительное количество (отн. №) путей потока через МСК, которые соединяют нисходящую артериолу (DA) с восходящей венулой (AV). Относительное число вычисляется по отношению к базовому случаю (Методы). Гистограмма отображает медианное значение для каждой конфигурации MSC. Сферы показывают относительное количество путей потока для восьми микроударов для каждого типа MSC. d) Схема для представления трех категорий DA-AV-пар конечных точек (методы).Каждый из подзаголовков показывает все пути потока между одной парой DA-AV-оконечных точек . Пути потока, которые не проходят через MSC, отмечены пунктирной линией. e) Соотношение количества путей потока между DA-AV-парами конечных точек разных категорий (см. d) и для разных типов MSC. Каждый маркер представляет соотношение для уникальной пары DA-AV-оконечных точек . Отношение получается делением количества путей потока между парой DA-AV-конечных точек и до хода на количество путей после хода (методы).Необработанные данные для каждой категории всех восьми случаев микроинсульта для каждого типа MSC показаны точками разброса и суммированы на прямоугольной диаграмме справа от нее. Треугольники: DA-AV-пара конечных точек категории 1, то есть по крайней мере один путь через MSC до и после инсульта. Квадраты: DA-AV-endpoint-pair категории 2, то есть только перед штрихом DA-AV-endpoint-pair соединена путем через MSC. Круги: DA-AV-оконечных точек категории 3, т.е.е. ни один из путей, соединяющих конечные точки DA и AV, не проходит через MSC. 0,08% данных не отображаются (коэффициент> 3). Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из .

Чтобы изучить роль отдельных капилляров в распределении потока, мы подсчитываем количество путей потока, проходящих через заранее определенный капилляр (рис. 4b). Как и ожидалось, общее количество путей потока, проходящих через MSC, значительно снижается во время хода для всех типов MSC, кроме типа 1-in-1-out (рисунок 4c).Обратите внимание, что в большинстве случаев некоторые пути потока через MSC остаются. Однако, как упоминалось ранее, скорость потока в MSC падает ниже 10 ⁻¹⁰ мкм ³ мс ⁻¹⁰ после хода, и, следовательно, оставшиеся пути несут незначительный поток. Поскольку не наблюдается значительного падения общего количества уникальных путей потока через MVN, мы заключаем, что микроудар в основном влияет на тесно связанные сосуды MSC, но не на общее поле потока MVN (дополнительный рисунок 9b).

Затем мы проанализировали изменение количества уникальных путей потока, проходящих через: 1) капилляры выше и ниже по потоку от MSC (до поколения 3), 2) параллельно MSC и 3) далекие от MSC (Рисунок 2e , Методы). Основываясь на результатах, представленных на рис. 2f-h, где мы обнаружили увеличенный поток в параллельных сосудах, мы ожидали увидеть увеличение количества путей, проходящих через параллельные сосуды. Однако для трех различных категорий судов не наблюдалось никакой последовательной тенденции (дополнительный рисунок 9c).Это говорит о том, что увеличение потока не обязательно вызывает увеличение количества путей потока через соответствующий капилляр.

Чтобы еще больше расширить наше понимание перераспределения потока в ответ на микроинсульт, мы теперь исследуем количество возможных путей потока между заданной DA- и AV-конечной точкой до и после инсульта. На первом этапе мы сравниваем общее количество возможных комбинаций конечных точек DA-AV ( пар конечных точек DA-AV ). Хотя мы наблюдаем некоторые различия в количестве уникальных пар DA-AV-конечных точек (дополнительный рисунок 9d), общее изменение невелико (<1.1%) по отношению к общему количеству возможных пар DA-AV-конечных точек (2380 пар DA-AV-конечных точек на исходном уровне).

Чтобы изучить пути потока между данной парой DA-AV-конечных точек с, мы вводим три категории для классификации DA-AV-пара конечных точек с (рис. 4d): 1) до и после инсульта существует как минимум один путь, который ведет от DA- к конечной точке AV через MSC, 2) только перед штрихом есть хотя бы один путь, который ведет от DA- к конечной точке AV через MSC и 3) ни один из путей между данная пара DA-AV-оконечных точек проходит через MSC.Только для MSC-type 2-in-1-out мы наблюдаем уменьшение потоков между DA-AV-парами конечных точек категории 1 (рисунок 4e). Для типов MSC 2 входа 2 выхода и 1 вход 2 выхода , как увеличивается, так и уменьшается количество путей потока, и, следовательно, медиана отношения путей потока близка к 1. Однако важно отметить, что только небольшая часть из DA-AV-пар конечных точек относится к категории 1 (дополнительный рисунок 9e).Чтобы быть более точным, только ~ 1/3 пар DA-AV-оконечных точек , которые соединены путем через MSC во время базовой линии, также имеют путь через MSC во время хода. Оставшиеся 2/3 теряют свой путь через MSC и, следовательно, относятся к категории 2 DA-AV-endpoint-pair s.

Для пар DA-AV-оконечных точек категории 2 тенденции между типами MSC более согласованы. Здесь мы четко отмечаем уменьшение количества доступных путей потока между соответствующими парами DA-AV-оконечных точек .Уменьшение количества путей между DA-AV-парами конечных точек категории 2 показывает, что микроинсульт локально уменьшает количество доступных путей и что поток по своей природе не перераспределяется таким образом, чтобы сохранить количество путей потока. Никакой тенденции не наблюдалось для изменений в DA-AV-парах конечных точек категории 3 и для всех DA-AV-конечных точек-пар MSC-типа 1-in-1-out .

Взятые вместе, наши результаты показывают, что микроинсульт локально вызывает уменьшение количества доступных путей потока между DA и AV.Однако, как показано в предыдущих разделах, скорость потока, вероятно, увеличивается на некоторых из оставшихся путей.

3.5 Минимальное расстояние между точкой капилляра со стороны артериолы и точкой капилляра со стороны венулы в среднем составляет 58 мкм

Хорошо известно, что парциальное давление кислорода в капиллярах сразу после DA выше, чем в капиллярах непосредственно перед AV [ 50, 51]. Более того, было высказано предположение, что ткань, снабжаемая венулосодержащими капиллярами, может быть более восприимчивой к гипоксии в случае нарушений кровотока или во время нервной активации [51-53].Следовательно, расположение капилляров со стороны артериол и венул относительно друг друга может быть важным топологическим признаком надежности снабжения кислородом и питательными веществами. Удобный способ избежать локальной гипоксии может быть получен с помощью топологической структуры, в которой капилляры со стороны артериолы и со стороны венулы расположены в непосредственной близости друг от друга.

Чтобы исследовать расположение капилляров на стороне артериолы и на стороне венулы относительно друг друга, мы вводим AV-фактор .AV-фактор для каждого капилляра вычисляется путем идентификации всех путей, ведущих от капилляра ко всем возможным конечным точкам DA и ко всем возможным конечным точкам AV. AV-фактор впоследствии вычисляется из среднего расстояния до всех DA / AV-конечных точек (методы). AV-фактор близок к 0, если капилляр близок к DA, и близок к 1, если капилляр находится рядом с AV. Мы определяем капилляры со стороны артериол как капилляры с AV-фактором <0.5 и венулосные капилляры с AV-фактором > = 0,5. Следующие исследования были выполнены в MVN1 и MVN2.

При первоначальном анализе мы вычисляем кратчайшее расстояние между точкой капилляра со стороны венулы и точкой капилляра со стороны артериолы. Интересно отметить, что среднее кратчайшее расстояние до капилляра со стороны артериол составляет 58 мкм. При этом кратчайшее расстояние между капилляром на стороне венулы и капилляром на стороне артериолы всего на ~ 8 мкм больше, чем среднее расстояние между двумя капиллярами [51, 54].Впоследствии мы проанализировали средний AV-фактор вокруг капиллярной точки со стороны венулы. Для 44% всех капиллярных точек со стороны венулы средний AV-фактор в сфере с радиусом 50 мкм был меньше, чем AV-фактор в ее центральной точке. Это означает, что рядом с этими точками расположено несколько точек со стороны артериол, которые потенциально действуют как резервные для снабжения кислородом и питательными веществами. Относительная разница между AV-фактором центральной точки и средним значением всех точек на сфере 50 мкм составляла -4.1%.

В совокупности кратчайшее расстояние 58 мкм до артериального капилляра и среднее снижение среднего AV-фактора в сфере 50 мкм вокруг точки капилляра со стороны венулы предполагают, что капилляры со стороны артериол хорошо распределены по всей сети. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования, чтобы оценить, помогают ли проксимальные капилляры со стороны артерий избежать участков гипоксической ткани в непосредственной близости от капилляров со стороны венул во время нарушений кровотока.Более того, следует иметь в виду, что в сосудистой сети коры грызунов количество АВ превышает количество ДА [26]. Это контрастирует с сосудистой сетью приматов, где DA примерно в два раза чаще, чем AV [26, 46, 55, 56]. Таким образом, текущий вывод необходимо проверить для разных видов.

4 Обсуждение

Выполняя моделирование кровотока в реалистичных MVN для большого количества одиночных окклюзий капилляров, мы показываем, что серьезность микроинсульта зависит от местной топологии сосудов и от базовой скорости потока в закупоренном капилляре.Наибольшее влияние наблюдается при закупорке капилляров с двумя входами и двумя выходами ( 2-в-2-вых, ). Здесь изменения расхода выше 50% все еще наблюдаются через два поколения от MSC. Напротив, изменения скорости потока остаются ниже 30% для всех капилляров в MSC с расходящейся бифуркацией вверх по потоку и сходящейся бифуркацией вниз по потоку ( 1-в-1-выход, ). Соответственно, окклюзия капилляра 2-в-2-вых снижает перфузию почти на 20% в объеме ткани 200 000 мкм ³ .Для окклюзии капилляра с примерно в четыре раза большей базовой скоростью потока, 20% падение перфузии все еще может наблюдаться для объема ткани 500 000 мкм ³ . Помимо местного снижения перфузии, окклюзия отдельного капилляра также вызывает уменьшение количества доступных путей потока в непосредственной близости от МСК.

Наше наблюдение о том, что на тяжесть микроинсульта влияет базовая скорость кровотока в закупоренных сосудах, согласуется с предыдущими наблюдениями in vivo и in silico для окклюзии проникающих сосудов [2, 4, 16, 28 ].Кроме того, Nishimura et al. [16] сообщают о снижении скорости эритроцитов в ответ на окклюзию одиночных капилляров на 93% и 55% в нижних сосудах поколения 1-2 и 3-4 соответственно. Хотя снижение скорости in vivo немного выше, в целом они хорошо сравниваются с нашими результатами для окклюзии MSC 2-in-2-out и 1-in-2-out . Однако Nishimura et al. [16] не наблюдают реверсирования потока и снижения скорости в предшествующих и параллельных сосудах.Эти различия, вероятно, связаны с тем, что многие из закупоренных сосудов у Nishimura et al. [16] являются прямыми ответвлениями основной ветви DA. Из-за значительно большей скорости потока в главной ветви DA не следует ожидать снижения скорости и реверсирования потока перед местом окклюзии.

Следует отметить, что для всех типов MSC эффекты окклюзии отдельных капилляров пространственно ограничены. Точнее, не наблюдается значительного снижения скорости потока в 5 поколениях от МСК и в объеме ткани 0.3 нл (300 000 мкм ³ ) вокруг МСК, перфузия снижается максимально на 10% для всех типов МСК. Это контрастирует с окклюзией DA, когда скорость потока не восстанавливается полностью до 10 ^-го нижнего сосуда и где объем инфаркта достигает 220 нл [1, 2, 28]. Наши результаты качественно согласуются с предыдущими наблюдениями, в которых мы изучали влияние 10% -ного расширения отдельных капилляров [40]. Поскольку это изменение значительно меньше, чем полная окклюзия капилляра, изменения потока в ответ на дилатацию ограничиваются даже капиллярами, непосредственно прилегающими к расширенному сосуду.

Поскольку поставляемый объем ткани 1-in-1-out MSC составляет 0,056 нл (56 000 мкм ³ ), что примерно в 15 раз меньше, чем объем инфаркта, наблюдаемый при окклюзии ответвления DA [2 ], мы постулируем, что окклюзия отдельных капилляров не вызывает прямого повреждения тканей. Эта гипотеза согласуется с результатами Shih et al. [2]. Тем не менее, наши результаты ясно показывают, что одиночная закупорка капилляра оказывает сильное влияние на локальное поле потока.Таким образом, кажется правдоподобным, что измененное поле потока является возможным механизмом, с помощью которого можно влиять на отложение и клиренс Aβ [17] или клиренс растворенных веществ через периваскулярное пространство в целом [35]. Местные нарушения в поле потока и клиренсе растворенных веществ могут накапливаться и вызывать дополнительные разрывы сосудов [6] или окклюзии, которые впоследствии могут еще больше затруднять клиренс [37, 57], а также снабжение кислородом и питательными веществами в увеличивающейся области вокруг MSC. Важно отметить, что в настоящее время ключевые механизмы, вызывающие различия в отложении Aβ в ответ на закупорку капилляров, еще полностью не изучены.

Для окклюзии сосудов большего калибра было показано, что проксимальные микроинфаркты, вероятно, объединяются [2] и что серьезная утечка ГЭБ и внутрисосудистая агрегация тромбоцитов [4] также наблюдаются за пределами границы микроинфаркта. Более того, Summers et al. [5] сообщают о дефиците нейрональной активности и функциональной вазодинамики в ответ на окклюзию DA, которая затрагивает область, в ~ 12 раз большую, чем ядро ​​микроинфаркта. Эти аспекты подчеркивают, что патологические нарушения не ограничиваются ядром микроинфаркта.Однако остается неизвестным, могут ли сравнимые эффекты быть вызваны окклюзией одного капилляра. Точно так же мы не знаем, вызывает ли окклюзия одиночного капилляра локальную гипоксию ткани или проксимальные сосуды компенсируют отсутствие перфузии в закупоренном капилляре. Мы предполагаем, что из-за значительного влияния на локальное поле потока окклюзия отдельных капилляров может привести к локальному падению оксигенации тканей, что может спровоцировать каскад последовательных реакций в пораженной ткани.Остальные неизвестные ясно подчеркивают необходимость углубленной количественной оценки in vivo воздействия одиночной окклюзии капилляра. Основываясь на наших результатах, мы предполагаем, что в будущих исследованиях микроинсульта in vivo следует сосредоточить внимание на оксигенации тканей, отложении Aβ и долгосрочных изменениях в непосредственной близости от МСК. В этих исследованиях важно помнить, что на тяжесть микроинсульта влияет топология сосудов и исходная перфузия МСК.Следовательно, следует позаботиться о том, чтобы эффекты анализировались в соответствии с типом MSC.

Как указывалось ранее, тяжесть микроинсульта зависит от местной сосудистой топологии. Следует отметить, что мы наблюдаем существенные различия в частоте и характеристиках локальных сосудистых топологий (MSC-типы). 1-в-1-из , безусловно, является наиболее частым типом МСК и обеспечивает самый большой объем ткани. В то же время он характеризуется наименьшей средней скоростью потока и наименьшим количеством уникальных путей, соединяющих DA и AV.В отличие от 2-in-2-out является самым редким типом MSC и содержит наибольшее количество путей потока, соединяющих DA и AV. Мы постулируем, что MSC-тип 2-in-2-out отвечает за распределение крови в капиллярном русле и что MSC-тип 1-in-1-out разработан для обеспечения эффективного разряда кислорода и питательных веществ в ткани. .

Частота 2-в-2-вых MSC низкая и в объеме 200000 мкм ³ вокруг MSC, 27% сосудов не показывают уменьшения потока после микроинсульта.Эти две особенности предполагают, что капиллярное русло обеспечивает присущий уровень устойчивости к одиночной капиллярной окклюзии, и они хорошо согласуются с сильно взаимосвязанной природой капиллярного русла, которая позволяет эффективно перенаправлять кровоток [26, 28, 41-43, 58 , 59].

Тем не менее, значительные различия между характеристиками MSC-типов вызывают дополнительные вопросы относительно происхождения и тяжести микроинсультов. Прежде всего: будет ли микроинсульт более вероятным для MSC 1-in-1-out ? Эта идея основана на более низком среднем расходе в MSC 1-in-1-out , что означает, что сосуд может быть легче заблокирован.Однако, чтобы ответить на этот вопрос, нам необходимо улучшить наше понимание механизмов, вызывающих окклюзию капилляров. Кажется вероятным, что окклюзии, вызванные обструкцией, часто возникают в капиллярах с низким потоком. Однако, если отложения бляшек или активность настенных клеток являются причиной закупорки капилляров, то ситуация менее ясна. Во-вторых: из-за большего объема ткани может окклюзия MSC 1-in-1-out быть более серьезной для снабжения кислородом и питательными веществами, в то время как окклюзия MSC 2-in-2-out имеет большее влияние на поле течения? Здесь in vivo исследования , отслеживающие оксигенацию тканей в ответ на закупорку капилляров или комбинированное моделирование кровотока и транспорта кислорода, могут дать представление о наиболее критическом типе МСК для снабжения кислородом и питательными веществами.

Кроме того, влияние микроинсульта на оксигенацию тканей может зависеть от уровня кислорода в закупоренном капилляре и от локального расположения капилляров на стороне артериолы и венулы относительно друг друга. Мы предположили, что артериальные капилляры с высоким содержанием кислорода могут быть удобно распределены по сосудистой сети для повышения надежности доставки кислорода по ткани. Действительно, Nishimura et al. [18] предоставили подтверждающие доказательства этой гипотезы, показав, что капилляры с различными топологическими расстояниями до DA могут находиться в пространственной близости.Однако для подтверждения этой гипотезы необходимы дальнейшие исследования парциального давления кислорода в капиллярах микрососудистых сетей.

Изолированное изучение эффекта окклюзии отдельных капилляров в нашей модели in silico , с одной стороны, выгодно, но с другой стороны ограничено. Например, наша имитационная модель не учитывает динамические реакции сосудистой сети. Было показано, что одиночная окклюзия DA вызывает неоднородный ответ в капиллярном ложе, включающий расширение и сужение капилляров [4, 18].Тем не менее, подход in silico позволяет нам проводить углубленное изучение динамических изменений жидкости в ответ на закупорку отдельного капилляра, отделенного от внешних и внутренних воздействий. Более того, наши наблюдения можно удобно связать с топологией окружающих сосудов. Эти идеи могут быть впоследствии использованы для различения изменений, наблюдаемых в исследованиях in vivo .

Вместе взятые, мы показываем, что для 57% всех капилляров окклюзия значительно снижает скорость потока в соседних капиллярах.Следовательно, мы предполагаем, что одиночная окклюзия капилляра может быть отправной точкой каскада небольших последовательных нарушений, которые могут иметь отношение к развитию более крупных микроинфарктов и прогрессированию патологий. Важно отметить, что устранение малейшего масштаба нарушения не только важно для улучшения нашего понимания развития микроинфаркта, но и может в конечном итоге предложить новые возможности для терапевтического лечения и профилактики.

5 Методы

Представленные результаты основаны на вычислительной модели для моделирования кровотока в реалистичных MVN.Модель была опубликована ранее [39] и здесь вкратце исправлена. Мы начнем с краткого описания числовой структуры для моделирования кровотока в реалистичных MVN с отслеживанием дискретных эритроцитов [39, 48]. Впоследствии мы предоставим более подробную информацию об анализах, использованных в текущем исследовании моделирования.

5.1 Моделирование кровотока с дискретным отслеживанием эритроцитов

Микрососудистая сеть представлена ​​в виде графической структуры, т.е. состоит из набора узлов n _i , соединенных набором ребер e _ij .Нижний индекс ij указывает, что край e _ij соединяет узел n _i и n _j . Анатомически точные микрососудистые сети (MVN) были получены Blinder et al. [28] из соматосенсорной коры мышей с помощью двухфотонной лазерной сканирующей микроскопии. Они заключены в объем ткани ∼1,6 мм ³ (MVN1) и ∼2,2 мм ³ (MVN2) и содержат ∼12100 и ∼19300 сосудов соответственно.

Сосуды обозначены как пиальные артерии (PA), нисходящие артериолы (DA), капилляры (Cs), восходящие венулы (AV) и пиальные вены (PV). Для проникающих судов, то есть DA и AV, мы дополнительно различаем суда основной ветви и ответвления. Тип сосуда определяется путем отслеживания сосудов от кортикальной поверхности и применения критерия диаметра, который требует, чтобы два последующих сосуда имели диаметр менее 6 мкм, чтобы изменить тип сосуда с DA на C [39].Эквивалентный критерий применяется на стороне венулы. Чтобы различать главную ветвь проникающих сосудов и ответвления, мы используем критерий, основанный на угле разветвления и длине образующихся основных ветвей. Такой подход гарантирует, что короткие ответвления не будут помечены как основная ветвь.

Для вычисления поля давления и скорости кровотока в реалистичной MVN мы используем уравнение непрерывности в каждом узле и закон Пуазейля вдоль сосудов. Этот подход действителен из-за малых чисел Рейнольдса в корковых микрососудах (Re <1.0 для всех судов). Чтобы учесть наличие эритроцитов, сопротивление сосуда умножают на относительную эффективную вязкость. Взятые вместе, закон Пуазейля гласит где D _ij и L _ij — диаметр и длина сосуда, а P _i и p _j — давление в узле i. и j соответственно. μ — это динамическая вязкость плазмы и относительная эффективная вязкость, которая вычисляется как функция гематокрита и диаметра сосуда, как описано в Pries et al.( in vitro состав ) [60].

Гематокрит отдельных сосудов рассчитывается по дискретно отслеживаемым эритроцитам. Чтобы правильно моделировать движение эритроцитов, мы учитываем эффект Фараеуса [60, 61] и фазовое разделение. Разделение фаз в сосудах диаметром более 10 мкм описано на основе эмпирического соотношения Pries et al. [60]. В сосудах диаметром <10 мкм можно предположить поток одиночного файла и, следовательно, мы постулируем, что эритроциты следует по пути наибольшей силы давления [39, 48, 62, 63].Неравномерное разделение эритроцитов на расходящихся бифуркациях и их влияние на сопротивление сосуда вызывают колебания потока и поля давления. В данном исследовании мы сосредоточены на анализе усредненного по времени поля потока в статистическом установившемся состоянии. Наше среднее значение рассчитывается за десять периодов оборота (15,4 с), где одно время оборота определяется как время до тех пор, пока 85% всех сосудов не будут полностью перфузированы хотя бы один раз.

Граничные условия давления задаются, как описано в Schmid et al.[39]. Вкратце, для пиальных сосудов мы используем существующие экспериментальные данные и назначаем значение давления, зависящее от диаметра. Значения давления на входе и выходе капилляров устанавливаются на основе результатов моделирования подхода иерархических граничных условий. Здесь реалистичный MVN имплантируется в большой искусственный MVN. Впоследствии рассчитывается поле потока и давления для постоянного гематокрита, и полученные значения давления назначаются в качестве граничных условий. Граничные условия давления сохраняются постоянными для каждого сценария микрохода.

5.2 Моделирование микроинсульта

Моделирование микроинсульта выполняется в MVN1. Чтобы имитировать микроинсульт, диаметр отдельного капилляра установлен на 0,01 мкм. Для всех исследованных сценариев результирующая скорость потока в капилляре микроинсульта (MSC) составляет <10 ⁻¹⁰ мкм ³ мс ⁻¹ . Средняя скорость потока в капилляре в MVN1 составляет 4. 2 мкм ³ мс ^-1 . Это доказывает, что скорость потока в MSC приближается к 0 мкм ³ мс ^-1 и тем самым подтверждает правильность нашей модели микроинсульта.

Всего в реалистичном MVN1 имеется 11 386 капилляров. Чтобы гарантировать, что мы выберем репрезентативные MSC, должны быть выполнены следующие критерии выбора:

1. MSC должен быть расположен в цилиндре с радиусом 444 мкм вокруг xy-центра MVN (количество возможных MSC: 8718) .

2. Средняя скорость потока в MSC должна быть> 0,16 мкм ³ мс ^-1 (95% всех капилляров, количество возможных MSC: 8237).В MVN2 это соответствует 98% всех капилляров.

3. Средний гематокрит должен быть> 0,02 (95% всех капилляров, количество возможных МСК: 7 824).

4. Скорость потока в MSC и его соседях вверх и вниз по потоку должна быть стабильной, т. Е. Не должно происходить частых изменений направления потока. Чтобы быть более точным, мы допускаем изменение направления потока на 5%, 10% и 30% в MSC, в первых судах вверх и вниз по потоку и во втором и третьем судах вверх и вниз по потоку, соответственно (количество возможных MSC: 6 307).Относительное количество изменений направления потока вычисляется путем деления количества временных шагов с изменением направления потока на общее количество смоделированных временных шагов.

5. МСК расположен примерно в центре капиллярного русла, то есть на расстоянии не менее трех сегментов от основной ветви ДА и АВ (количество возможных МСК: 3565).

6. MSC должен помещаться в ограничивающую рамку объемом 200 000 мкм ³ (количество возможных MSC: 3 462).

Следует отметить, что «количество возможных MSC» вычисляется путем последующего рассмотрения дополнительного критерия выбора.

Одна из наших целей — прокомментировать факторы, влияющие на тяжесть микроинсульта. Чтобы проанализировать влияние различных факторов, например базовый расход в MSC, могут быть прописаны дополнительные критерии выбора. Эти критерии более подробно определены в соответствующих разделах результатов.

Дополнительная таблица 1 содержит обзор всех критериев выбора.Всего мы проанализировали двенадцать различных случаев. Для каждого случая было выполнено восемь симуляций микроинсульта.

5.3 Пороговое относительное изменение

Основной проблемой при сравнении моделирования кровотока в реалистичных MVN является большое разнообразие скоростей потока, которое колеблется от 0,09 мкм ³ мс ^-1 до значений до 26 . 76 мкм ³ мс ^-1 в капиллярном слое (минимум и максимум 95% всех расходов в капиллярном слое, медиана: 1.99 мкм ³ мс ^-1 ). В таком поле потока большое относительное изменение в сосуде с небольшой базовой скоростью потока может быть незначительным, в то время как небольшое относительное изменение в сосуде с большой базовой скоростью потока может быть значительным. Чтобы улучшить сопоставимость результатов моделирования, мы вводим абсолютный порог: th ^abs . Если абсолютное изменение меньше th ^abs , относительное изменение устанавливается на 0%.

Чтобы выбрать подходящее пороговое значение, мы сравниваем средний расход в два момента времени для трех различных интервалов усреднения (десять, пять и три времени оборота). Абсолютное изменение расхода между двумя временными точками характерно для колебаний базового поля потока. Таким образом, его можно использовать в качестве эталона того, насколько большим должно быть изменение абсолютного потока, чтобы оно могло быть вызвано микроинсультом, а не колебаниями базовой линии. Разница между двумя моментами времени составляет 20 с.

Становится очевидным, что для каждого из трех интервалов усреднения> 87% капилляров изменяют свой расход менее чем на 0,1 мкм ³ мс ^-1 (дополнительный рисунок 10). Следовательно, в моделировании микрохода изменение скорости потока> 0,1 мкм ³ мс ^-1 , вероятно, вызвано воздействием микрохода, а не колебаниями базовой линии. Соответственно, мы устанавливаем абсолютный порог th ^abs до мкм ³ мс ⁻¹ .

Относительное изменение расхода может быть вычислено либо непосредственно из расхода в резервуаре. или от абсолютных расходов в сосуде где и — скорости потока в сосуде ij для базовой линии и моделирования с микроходом, соответственно. Хотя во втором составе не учитываются изменения направления потока, он больше подходит для сравнения общей перфузии отдельных капилляров. Поскольку общая перфузия более важна для подачи кислорода и питательных веществ, мы используем второе выражение и отдельно анализируем изменения направления потока.Взятые вместе пороговое относительное изменение вычисляется как

5.4 Исследование различий по глубине кортикального слоя

Для анализа различий по глубине кортикального слоя реалистичный MVN делится на пять слоев анализа (AL), каждый толщиной 200 мкм (дополнительный рисунок 4). Этот подход к анализу был впервые предложен Schmid et al. [39]. Чтобы назначить судно AL, либо исходная, либо целевая вершина судна должна находиться в пределах верхней и нижней границы AL (дополнительная таблица 1).Вторая конечная точка сосуда должна находиться в пределах ± 50 мкм от границ AL.

5.5 Анализ общего притока и общего потока в блоке анализа вокруг MSC

Чтобы прокомментировать кровоснабжение объема ткани вокруг MSC, мы вычисляем общий приток в блок анализа вокруг MSC. Объем самого маленького блока анализа выбирается таким образом, чтобы каждый MSC помещался в самый маленький блок анализа. Это приводит к начальному объему коробки 200 000 мкм ³ , что эквивалентно кубу с длиной стороны 58.48 мкм. Более того, для каждого MSC у нас есть не менее 6 капилляров в боксе для первоначального анализа и не менее 5 капилляров, пересекающих границу бокса для анализа. Выбранный начальный объем бокса представляет собой компромисс между наличием минимально возможного аналитического бокса вокруг MSC и одновременным обеспечением наличия достаточного количества капилляров внутри аналитического бокса для проведения количественного исследования. Длина сторон бокса для анализа различается для разных капилляров МСК. Чтобы увеличить объем коробки, длины сторон самого маленького аналитического блока увеличиваются на одинаковое расстояние во всех трех измерениях, пока мы не достигнем желаемого объема коробки.

Чтобы вычислить относительное изменение притока в ответ на микроинсульт, мы складываем все притоки во время базовой линии и во время инсульта и вычисляем относительную разницу между общим притоком во время базовой линии и во время инсульта. Важно отметить, что из-за реверсирования потока в ответ на микроимпульс количество приточных сосудов может измениться для исходного уровня и для случая микроинсульта. Эквивалентный анализ повторяется для увеличения объемов бокса. Относительное изменение притока для каждого блока анализа показано на Рисунке 2a-d, дополнительном рисунке 3c-d и дополнительном рисунке 5c-d.

Изменение общего расхода на блок анализа вычисляется сравнительно с изменением притока в блоке анализа. Здесь вместо вычисления общего притока во время базовой линии и во время хода мы складываем взвешенные по длине общие скорости потока в блоке анализа для базовой линии и во время хода, суммируя скорость потока всех сосудов в блоке анализа. Мы учитываем извилистость сосуда, чтобы вычислить длину сосуда в аналитическом боксе. Общее изменение скорости потока для каждого блока анализа показано на рис. 2f-h.

5.6 Определение судов, параллельных и удаленных от MSC

Для изучения перераспределения потока в аналитическом боксе мы вводим три категории судов: 1) Сосуды до и после MSC. 2) Суда, которые ответвляются / переходят в судно выше / ниже по течению 1-го или 2-го поколения MSC ( параллельных судов ). Здесь мы проследим за каждым параллельным сосудом поколения 1 три сегмента вниз / вверх по потоку, чтобы создать весь набор параллельных сосудов.3) Все остальные сосуды в боксе для анализа (т. Е. Ни восходящие, ни нисходящие, ни параллельные сосуды) называются дальними сосудами . Схематический рисунок этих категорий судов представлен на рисунке 2e и дополнительном рисунке 2e.

Поскольку весь MVN подключен, удаленных судов также подключены к MSC. Однако для этой категории судов точка подключения находится относительно далеко вверх или вниз по течению. Этот подход позволяет нам изучать изменения в ответ на микроинсульт в отношении топологического расстояния от MSC.Обратите внимание, что концепция параллельных сосудов также использовалась в Nishimura et al. [16]. Однако их определение параллельных сосудов отличается от того, что использовалось в нашем анализе. Nishimura et al. [16] считают, что параллельных сосудов — это только те сосуды, которые имеют ту же исходную вершину, что и закупоренный сосуд.

5.7 Вычисление топологического предоставленного объема ткани

Чтобы прокомментировать объем инфаркта при микроинсульте и для дальнейших топологических исследований, мы вычисляем предоставленный объем ткани для каждого сосуда.Для этого ткань дискретизируется на декартовой сетке, в которую встроены реалистичные MVN. Одна ячейка сетки охватывает 4 x 4 x 4 мкм ³ , в результате чего получается около 11,6 миллиона ячеек сетки для MVN1 и около 15,3 миллиона ячеек сетки для MVN2. Каждый центр ячейки привязан к ближайшему сосуду. Суммируя все клетки, относящиеся к одному сосуду, мы получаем топологический объем ткани, приходящейся на сосуд. Важно отметить, что топологический и эффективный объем поставляемой ткани могут значительно различаться [51, 52, 64, 65].Это происходит из-за разного уровня кислорода на пути капилляров. Следовательно, для сосудов с высоким уровнем кислорода эффективный объем поставляемой ткани, вероятно, больше, чем топологический объем поставляемой ткани, и наоборот. Тем не менее, мы полагаем, что объем поставляемой топологической ткани является репрезентативной характеристикой для изучения топологии и связанных с перфузией аспектов кортикального микроциркуляторного русла. Обратите внимание, что для простоты топологический объем поставляемой ткани в данной рукописи называется предоставленным объемом ткани.

5.8 Пути потока между нисходящими артериолами и восходящими венулами

Пути потока между проникающими сосудами рассчитываются путем отслеживания потока от DA к AV. Для этого исследования конечная точка DA определяется как первая точка ветвления после основной ветви артериолы DA. Эквивалентное определение используется для АВ, то есть конечная точка АВ — это точка, проксимальная к капиллярному ложе, а начальная точка АВ — это корень проникающего дерева на кортикальной поверхности.

Чтобы вычислить все пути между DA и AV, мы сначала идентифицируем все конечные точки DA и AV. Впоследствии для каждой DA-AV-конечной точки-пары мы вычисляем все возможные пути соединяющего потока, которые проходят исключительно через капиллярное русло, т.е. если мы достигаем другой конечной точки DA до достижения конечной точки AV, путь не учитывается для DA-AV-оконечная пара находится в стадии расследования. Обратите внимание, что некоторые конечные точки DA и AV не связаны динамически. Кроме того, несколько путей входят / выходят из MVN через его границы.Поскольку эти пути не соединяют DA с AV, они не рассматриваются в дальнейшем для этого анализа.

Полученные данные о пути потока позволяют проводить различные исследования:

1. Вычисление общего количества путей потока в MVN (дополнительный рисунок 9b).

2. Расчет количества путей потока на капилляр и того, как это число изменяется во время микроинсульта (рисунок 4c, дополнительный рисунок 9c). На рисунке 4c нас интересует количество путей, которые сохраняются в MSC во время микроинсульта.Относительное количество путей рассчитывается как 100%. На дополнительном рисунке 9c мы фокусируемся на относительном изменении количества траекторий во время базовой линии и во время хода. Это рассчитывается как 100%. , где и — количество путей потока через отдельный капилляр во время базовой линии и во время удара, соответственно.

3. Вместо того, чтобы смотреть прямо на пути потока, мы также можем проанализировать количество уникальных DA-AV-пар конечных точек . Здесь мы можем либо посмотреть на общее количество уникальных пар DA-AV-конечных точек (дополнительный рисунок 9d), либо мы можем подсчитать количество уникальных пар DA-AV-конечных точек , которые соединены путем через предопределенный капилляр (дополнительный рисунок 9e).Как и раньше, это количество можно сравнивать между базовой линией и имитацией хода. На дополнительном рисунке 9d мы сравниваем разницу общего числа пар DA-AV-конечных точек до и после инсульта. На дополнительном рисунке 9e мы показываем абсолютное количество пар DA-AV-оконечных точек, соединенных путем через MSC до и после удара.

4. Наконец, мы подсчитываем количество уникальных путей потока между данной парой DA-AV-оконечных точек (рисунок 4e).Чтобы прокомментировать перераспределение потока по отношению к MSC, мы вводим три категории для классификации DA-AV-пар конечных точек (рисунок 4d): Категория 1) до и после штриха существует по крайней мере один путь, ведущий от DA. — к конечной точке AV через MSC; Категория 2) только перед штрихом есть хотя бы один путь, который ведет от DA- к конечной точке AV через MSC, и Категория 3) ни один из путей между данной парой DA-AV-конечных точек не проходит через MSC .Каждой паре DA-AV-оконечных точек назначается соответствующая категория, и вычисляется соотношение количества уникальных путей потока, где и — количество уникальных путей потока между заданной парой DA-AV-оконечных точек во время исходного уровня и во время инсульта.

7 Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

9 Дополнительная информация

Дополнительный рисунок 1

Направление потока изменяется для четырех типов микроинсультных капилляров (MSC).a) Процент изменения направления потока для четырех возможных топологических конфигураций в MSC (рис. 1a-d). Аннотируются только процентные значения> 0%. Для каждой топологической конфигурации было выполнено восемь симуляций микроходов. Процент вычисляется путем определения всех сосудов с изменением направления потока для каждого поколения по всем восьми симуляциям микроинсульта и установки его в соотношении с общим количеством судов в каждом поколении. Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из .б) Иллюстрация специфической конфигурации сосудов для MSC 2-in-1-out , которая приводит к прекращению кровотока в сосудах поколения -1. Приведены схема (вверху слева) и реалистичный пример (внизу справа). Изображены MSC (красный) и прилегающие к нему сосуды (серые, поколения -1 и 1). На схеме также показан совместный приток в генерации -2.

Дополнительный рисунок 2

Возникновение различных категорий сосудов в аналитическом боксе вокруг капилляра микроинсульта (MSC).a) -d) Процент сосудов в боксе для анализа, которые расположены по-другому относительно 2-in-2-out MSC. a) Процент сосудов до и после MSC для увеличивающегося объема аналитического бокса. б) Процент параллельных сосудов (Методы) в) Процент судов, напрямую подключенных к MSC, то есть вверх, вниз по течению и параллельные сосуды. г) Процент удаленных судов, т. е. судов, которые не расположены ни вверх по течению, ни вниз по течению, ни параллельно. e) Схема для иллюстрации концепции судов вверх, вниз по течению, параллельно и удаленно от MSC (методы).f) -h) Процент сосудов MSC выше и ниже по потоку для увеличения объема аналитической камеры для различных случаев. f) 2-in-1-out , g) 2-in-2-out рядом с нисходящей артериолой (DA) и h) 2-in-2-out далеко от DA. Более подробная информация о критериях выбора представлена ​​в Дополнительных материалах. Начальный объем коробки, т.е. объемный коэффициент = 1, составляет 200000 мкм ³ . Он выбирается таким образом, чтобы каждый MSC вписывался в блок первоначального анализа и чтобы каждый блок анализа имел не менее пяти притоков.Восемь микрошариков на случай изображены сферами с цветовой кодировкой. Коробчатые диаграммы основаны на доступных данных для каждого поколения.

Дополнительный рисунок 3

Влияние базовой скорости потока на тяжесть микроинсульта в капилляре микроинсульта (MSC) 2-in-2-out . a) -b) Среднее относительное изменение скорости потока Δq _ij для капилляров до и после MSC. c) -d) Относительная разница притока для увеличивающегося объема бокса вокруг MSC.Начальный объем коробки, т.е. объемный коэффициент = 1, составляет 200000 мкм ³ . Он выбирается таким образом, чтобы каждый MSC помещался в ячейку для первоначального анализа и чтобы каждая ячейка для анализа имела 5 входных сосудов. Относительная разница притока рассчитывается путем суммирования притоков через границы прямоугольника для базовой линии и моделирования хода (методы). a) и c) показывают результаты для высокой базовой скорости потока (7,0-25,0 мкм ³ мс ^-1 ), а b) и d) для более низкой базовой скорости потока (0.1-4,0 мкм ³ мс ^-1 ). Более подробная информация о критериях выбора представлена ​​в Дополнительных материалах. b) и d) также изображены на рисунках 1a и 2a и предназначены только для облегчения сравнения между двумя случаями. Восемь микрошариков на случай изображены сферами с цветовой кодировкой. Коробчатые диаграммы основаны на доступных данных для каждого поколения.

Дополнительный рисунок 4

Влияние глубины кортикального слоя на тяжесть микроинсульта в капилляре микроинсульта (MSC) 2-in-2-out .a) -d) Верхняя панель: Схема 2-in-2-out и реалистичная микрососудистая сеть, которая разделена на 5 аналитических слоев (AL) толщиной 200 мкм каждый. Стрелка указывает AL, для которого ниже показаны результаты. Нижняя панель: Среднее относительное изменение скорости потока Δq _ij для капилляров до и после MSC. Для каждой глубины коркового слоя было вычислено поле потока для восьми МСК. Среднее относительное изменение за поколение для каждой из восьми симуляций изображено сферами с цветовой кодировкой .Коробчатые диаграммы основаны на всех доступных данных для каждого поколения. Более подробная информация о критериях выбора представлена ​​в дополнительной таблице 1.

Дополнительный рисунок 5

Влияние расстояния микроинсульта (MSC) до проникающих сосудов на тяжесть микроинсульта в 2-в-2-вых . a) -b) Среднее относительное изменение скорости потока Δq _ij для капилляров до и после MSC. c) -d) Относительная разница притока для увеличивающегося объема бокса вокруг MSC.На верхней панели схематично показано расположение капилляра МСК вдоль типичного капиллярного пути между нисходящей артериолой (DA) и восходящей венулой (AV). Начальный объем коробки, т.е. объемный коэффициент = 1, составляет 200000 мкм ³ . Он выбирается таким образом, чтобы каждый MSC вписывался в блок первоначального анализа и чтобы каждый блок анализа имел пять притоков. Относительная разница притока рассчитывается путем суммирования притоков через границы блока анализа для базовой линии и моделирования хода (методы).a) и c) показывают результаты для MSC, близкого к DA, и b) и d) для MSC, удаленных от DA. Следует отметить, что большее снижение скорости притока для сосудов, близких к DA (c)), вызвано не большим общим уменьшением скорости потока, а высоким процентом сосуда, находящегося выше и ниже по потоку, в боксе для анализа (дополнительный рисунок 2g-h ). Как описано в основном тексте, уменьшение потока является наибольшим в сосудах вверх и вниз по потоку, и, следовательно, большое количество сосудов вверх и вниз по потоку в блоке анализа отразится на большем сокращении притока.Более подробная информация о критериях выбора представлена ​​в Дополнительных материалах. Восемь микрошариков на случай изображены сферами с цветовой кодировкой. Коробчатые диаграммы основаны на доступных данных для каждого поколения.

Дополнительный рисунок 6

Длина и расстояние до проникающих сосудов микрокапилляров (МСК) разных типов. а) Схема четырех топологических конфигураций в MSC. MSC имеет цветовую кодировку в соответствии с рисунками b) -f). б) Средняя длина судна четырех типов MSC.c) -d) Средняя длина минимального расстояния всех путей, ведущих от MSC до нисходящей артериолы (DA, c)) и восходящей венулы (AV, d)) основных ветвей. e) -f) Средняя длина среднего расстояния всех путей, ведущих от MSC к основным ветвям DA (e) и AV (f). Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из . Статистика основана на всех капиллярах, которые соответствуют общим критериям отбора, описанным в Методиках.Пятый критерий выбора менее строг для текущего анализа, то есть капилляр должен находиться только на одном сегменте от DA / AV, а шестой критерий не применяется. В результате получается 4818 и 8544 капилляров для анализа на MVN1 и MVN2 соответственно. Сначала вычисляется медиана внутри каждого MVN, а затем — среднее значение по двум MVN.

Дополнительный рисунок 7

Сравнение характеристик четырех топологических конфигураций на микроинсультном капилляре (MSC) для MVN1 и MVN2.а) Схема четырех топологических конфигураций в MSC. MSC имеет цветовую кодировку в соответствии с рисунками b) -i). б), е) Частота встречаемости четырех типов MSC для MVN1 и MVN2 соответственно. c), g) Медиана предоставленного объема ткани для четырех типов MSC для MVN1 и MVN2 (методы). d), h) Средняя скорость потока для четырех типов MSC для MVN1 и MVN2 соответственно. e), i) Среднее количество уникальных путей, ведущих через MSC от нисходящей артериолы (DA) к восходящей венуле (AV) для MVN1 и MVN2, соответственно.Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из . Статистика основана на всех капиллярах, которые соответствуют общим критериям отбора, описанным в Методиках. Пятый критерий выбора менее строг для текущего анализа, то есть капилляр должен находиться только на одном сегменте от DA / AV, а шестой критерий не применяется. В результате получается 4818 и 8544 капилляров для анализа на MVN1 и MVN2 соответственно.

Дополнительный рисунок 8

Средняя скорость потока, медиана и общий относительный объем поставляемой ткани для четырех типов капилляров микроинсульта (MSC) по глубине кортикального слоя. a) -e) Схема реалистичной микрососудистой сети, которая была разделена на 5 слоев анализа (AL), каждый толщиной 200 мкм. Стрелка указывает, для какого AL результаты показаны на графиках ниже. е) -j) Средняя скорость потока для разных типов МСК по глубине кортикального слоя. k) -o) Медиана предоставленного объема ткани для различных типов МСК по глубине кортикального слоя (методы).p) -t) Общий относительный объем поставляемой ткани для различных типов МСК по глубине кортикального слоя. Относительный предоставленный объем ткани рассчитывается путем суммирования предоставленного объема ткани для каждого типа MSC и деления его на общий объем ткани на AL. Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из . Статистика основана на всех капиллярах, которые соответствуют общим критериям отбора, описанным в Методиках.Пятый критерий выбора менее строг для текущего анализа, то есть капилляр должен находиться только на одном сегменте от DA / AV, а шестой критерий не применяется. Сначала вычисляется медиана внутри каждого MVN, а затем — среднее значение по двум MVN.

Дополнительный рисунок 9

Изменения в количестве путей потока и количестве пар DA-AV-оконечных точек в ответ на микроимпульс. а) Схема четырех топологических конфигураций капилляра микроинсульта (MSC).MSC имеет цветовую кодировку в соответствии с рисунками b) -e). б) Общее количество путей потока, соединяющих нисходящую артериолу (DA) с восходящей венулой (AV) в MVN1. Гистограмма отображает результаты моделирования базовой линии (базовая) и медианы для каждого случая микроинсульта. Сферы показывают общее количество путей потока для восьми симуляций микроинсульта для каждого типа MSC. c) Относительное изменение количества путей прохождения потока вверх и вниз по потоку, параллельно и дальше от капилляров (методы).Относительное изменение вычисляется из общего количества путей во время базовой линии и во время штриха (методы). Учитываются только капилляры, которые проходят по крайней мере на одном пути потока между DA и AV во время базовой линии. Данные всех восьми случаев микроинсульта для каждого типа MSC показаны в точках разброса и обобщены на прямоугольной диаграмме справа от него. Треугольники: капилляры выше и ниже МСК (3 поколения). Квадраты: капилляры, параллельные МСК. Круги: капилляры, удаленные от МСК. 0.1% данных не отображается (изменение> 800%). d) Разница (Разница) в общем количестве уникальных пар DA-AV-конечных точек (Методы, Различие <0: Уменьшение количества уникальных пар DA-AV-конечных точек по сравнению с базовым уровнем). Данные всех восьми случаев микроинсульта для каждого типа MSC показаны в точках разброса и обобщены на прямоугольной диаграмме справа от него. Для типов MSC 2-in-1-out, 1-in-2-out и 1-in-1-out в точках разброса показаны только 7 случаев микроинсульта, потому что каждый из этих типов имеет случай микрохода. с разницей <−90.e) Количество пар DA-AV-оконечных точек , которые соединены по крайней мере на пути через MSC (категория 1). Гистограмма отображает медианное значение для каждого типа MSC. Серая полоса показывает медианное значение при исходном уровне, а красные полосы — медианное значение во время инсульта. Сферы показывают количество пар DA-AV-оконечных точек для восьми микрошагов для каждого типа MSC. Обратите внимание, что три точки данных имеют более 90 пар конечных точек DA-AV и не отображаются сферами. Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из .

Дополнительный рисунок 10

Абсолютные различия между усредненными расходами во всех капиллярах в два момента времени t1 и t2. Разница во времени между двумя точками времени составляет 20 с. На левой панели отображаются абсолютные разницы для интервала усреднения в 10 раз оборота (ToT). На средней и левой панели показаны различия для интервалов усреднения 5 ToT и 3 ToT. Абсолютные различия между усредненными результатами увеличиваются при меньших интервалах усреднения.Для интервала усреднения 10 ToT для 94% всех сосудов абсолютная разница меньше 0,1 мкм ³ мс ^-1 . Это значение уменьшается до 91% и 87% для интервала усреднения 5 ToT и 3 ToT соответственно.

Дополнительная таблица 1

Обзор восьми критериев выбора, используемых для анализа влияния структурных и функциональных характеристик на тяжесть микроинсульта. Различные типы капилляров микроинсульта (MSC) изображены на Рисунке 1a-d. Для случаев 1-7 критерий выбора глубины коры требует, чтобы только источник МСК находился в заданном диапазоне.Для случаев 8–12 по крайней мере одна из вершин должна находиться в пределах данного диапазона, а вторая может находиться на ± 50 мкм вне данного диапазона. Среднее значение и стандартное отклонение (std) рассчитываются по результатам моделирования базовой линии для восьми выбранных MSC для каждого случая. Для среднего и стандартного значения кортикальной глубины учитываются значения исходной и целевой вершины. Определение основной ветви представлено в методах. DA: нисходящая артериола. AV: восходящая венула.

Дополнительная таблица 2

Распределение типов микроинсультационных капилляров (МСК) по глубине коры для микрососудистой сети (MVN) 1 и 2.А.Л .: Уровень анализа. Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из .

Дополнительная таблица 3

Распределение типов капилляров микроинсульта (MSC) на пути между нисходящей артериолой (DA) и восходящей венулой (AV) для микрососудистой сети (MVN) 1 и 2. VS: сегменты сосудов. Сокращения четырех типов MSC: 2-2: 2-in-2-out , 2-1: 2-in-1-out , 1-2: 1-in-2-out , 1-1: 1-в-1-из .

6 Благодарности

Мы благодарим Дэвида Кляйнфельда, Филберта Цая и Пабло Блиндера за то, что они поделились с нами реалистичными микрососудистыми сетями. Кроме того, мы благодарны Еве Эрлебах, Роберту Эпп и Жаклин Кондро за плодотворное обсуждение наших результатов. Кроме того, мы благодарим Еву Эрлебах за отзыв о нашей рукописи. Мы благодарим Карен Эверетт за помощь в редактировании рукописи.

Визуализация воздействия микрососудистых сгустков и кровоизлияний на мозг

Инсульт.Авторская рукопись; доступно в PMC 2014 1 июня.

Опубликован в окончательной редакции как:

PMCID: PMC3862170

NIHMSID: NIHMS536324

Департамент биомедицинской инженерии, Корнельский университет, Итака, Нью-Йорк 14850

Б. Автор для корреспонденции: Крис Почта: B57 Weill Hall Кафедра биомедицинской инженерии Корнельского университета Итака, штат Нью-Йорк 14850 Телефон: 607 342 7737 ude.llenroc@583sc

Ключевые слова: животные модели, церебральный инфаркт, очаговая ишемия, внутримозговое кровоизлияние, лакунарные инфаркты, микроциркуляция сосудистые когнитивные нарушения, сосудистая деменция, микроинсульт, микрокровоизлияние, двухфотонная визуализация

Окончательная отредактированная версия этой статьи издателя доступна на сайте Stroke. См. другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Усовершенствование технологий клинической визуализации сделало возможным устранение небольших, ранее невидимых повреждений в головном мозге пожилых людей. Первоначально эти поражения назывались «тихими инсультами», потому что они не проявлялись драматическими острыми симптомами, такими как обширный инсульт. Позже было показано, что эти небольшие поражения имеют когнитивные последствия и являются фактором, способствующим возрастному снижению умственного развития и деменции ^1-3 . Считается, что по аналогии с большими инсультами эти микроскопические поражения вызваны повреждениями мелких кровеносных сосудов.Поражения небольшие просто потому, что территория, покрытая небольшим судном, ограничена в размерах. Есть две категории сосудистых событий, которые могут привести к этим поражениям. Во-первых, окклюзия мелких сосудов может помешать току крови достичь области ткани мозга, что приведет к ишемическому повреждению. Кроме того, микроскопические отложения продуктов лизиса эритроцитов, обнаруженные в посмертных исследованиях на людях, предполагают, что микрососуды также могут кровоточить. ⁴ . Понимание причин и последствий этих небольших поражений затруднено из-за небольшого размера сосудов, которые, как считается, вовлечены, что приводит к ограниченному количеству животных моделей, отражающих патологию человека.Недавние достижения в оптических инструментах, как в хронической визуализации с высоким разрешением с помощью многофотонной микроскопии, так и в инновационном использовании лазерной абляции и фототромбоза для создания целевых сосудистых поражений, позволили провести контролируемые исследования того, как свертывание или кровоизлияние в мелкие сосуды влияют на здоровье и функции. клеток мозга ^{5, 6} . Фемтосекундная лазерная абляция, при которой лазерный импульс высокой мощности может использоваться для избирательной ионизации части кровеносного сосуда, даже если он находится ниже поверхности ткани мозга, может использоваться для создания как окклюзий, так и кровоизлияний в микрососуды () ⁵ .В сочетании с двухфотонной визуализацией трансгенных животных, которые экспрессируют флуоресцентные белки в определенных клетках, можно тщательно отслеживать реакцию клеток мозга на эти поражения. Эти достижения позволяют проводить исследования на экспериментальных моделях животных, которые могут повторить разнообразие патологий человека. Недавние исследования показывают, что история может быть не так проста, как когда-то думали, и что патологические процессы, лежащие в основе этих поражений, и их связь с когнитивной функцией могут иметь несколько возможных механизмов.

Фемтосекундная лазерная абляция может использоваться для создания экспериментальных моделей ишемического и геморрагического микроинсульта.

a) Покадровая двухфотонная визуализация флуоресцентно меченой плазмы крови (красный) во время образования окклюзии в целевой подповерхностной артериоле мозга. Облучение серией сильно сфокусированных фемтосекундных лазерных импульсов используется для повреждения эндотелия целевого сосуда и запуска свертывания крови. b) Кровоизлияние из проникающей артериолы, вызванное облучением одним импульсом высокоэнергетического лазера.Нейрональные отростки (зеленый) смещаются расширяющейся гематомой, в то время как плазма крови (красный) проталкивается в паренхиму головного мозга. Эритроциты визуализируются как темные объемы в флуоресцентной плазме крови. Отметки времени указывают время после первого лазерного облучения.

Окклюзия проникающих артериол приводит к микроинфаркту.

Инсульт может варьироваться по размеру от поражения почти всего мозга до поражений, наблюдаемых только под микроскопом. В моделях закупоренных сосудов, степень пораженной закупоркой ткани критически зависит от типа закупоренного сосуда и степени коллатерализации ^6-9 .Проникающие артериолы представляют собой критическое узкое место на пути к коре головного мозга. Эти терминальные сосуды ответвляются от высококоллатерализованной поверхностной сети артериол и питают капиллярные русла в коре головного мозга. Они ныряют почти прямо в мозг, не связываясь с другими артериолами. Одним из факторов, определяющих серьезность воздействия окклюзии сосуда, является степень изменения кровотока в нижележащих сосудах. Фемтосекундная лазерная абляция может использоваться для повреждения эндотелия целевого сосуда и запуска свертывания крови ().Затем изменения кровотока можно определить, отслеживая движение эритроцитов на двухфотонных изображениях. Окклюзия проникающих артериол вызывает сильное падение потока в нижележащих капиллярах и приводит к гибели нейронов ^{6, 10, 11} . Дегенерация дендритов, которую можно наблюдать в режиме реального времени с использованием трансгенных мышей, экспрессирующих флуоресцентные белки в нейронах, наблюдается в течение нескольких минут после сосудистой окклюзии () ¹² . Эта дегенерация, по-видимому, происходит поэтапно и может быть коррелирована с волной деполяризации, подобной расширяющейся депрессии ¹² .Со временем это прогрессирует до гибели клеток в ишемической области () ¹³ . Явное повреждение нейронов предполагает, что когнитивное воздействие окклюзии мелких сосудов происходит из-за гибели нейронов в критических областях мозга. Вероятно, что даже в менее критических областях потеря нейронов может способствовать функциональным нарушениям. Эти поражения также сопровождаются активацией воспалительных клеток, таких как микроглия (), и могут, как и их более крупные аналоги, включать инвазию лейкоцитов.Этот воспалительный ответ может также играть роль в долгосрочном воздействии окклюзии на мозг.

Различные формы патологии и дисфункции вокруг окклюзий и кровоизлияний в проникающую артериолу.

a) Соседние нейрональные отростки быстро дегенерируют и не восстанавливаются со временем после проникающей окклюзии артериолы. b) Микроглия активируется и увеличивается в плотности около окклюзии. c) Дендриты вокруг микрокровоизлияния смещаются кровотечением, но остаются структурно здоровыми и со временем возвращаются в исходное положение. d) Микроглия быстро активируется после микрокровоизлияния и оставляет долгоживущую плотную оболочку из амебоидных клеток, непосредственно прилегающую к поражению. Панели a, c и d адаптированы из Rosidi, et al., ^{, 16,} .

Экспериментальные кровоизлияния в микрососуды напоминают человеческие микрокровоизлияния

Помимо ишемических поражений, посмертные гистологические исследования и улучшенная МРТ-визуализация показали, что у пациентов с деменцией часто наблюдаются микроскопические кровотечения в головном мозге. Хотя количество поражений, обнаруженных с помощью МРТ, коррелирует со снижением когнитивных функций ^{14, 15} , патологические исследования после смерти часто не показывают инфаркта рядом с микрокровоизлияниями.Используя фемтосекундную лазерную абляцию, на моделях грызунов могут быть созданы кровоизлияния диаметром до 50 мкм, которые соответствуют размеру, наблюдаемому в исследованиях на людях (). Одно неожиданное наблюдение заключалось в том, что гематома, состоящая из плотно упакованных эритроцитов, может образовываться вокруг разорванной артериолы и сдавливать окружающие ткани, но при этом оставлять кровоточащий сосуд открытым и не подвергаться значительным изменениям кровотока ⁵ . Кровотечение, вероятно, ограничено тромбозом вдоль разорванной стенки сосуда, так что через короткое время размер гематомы стабилизируется ¹⁶ .Жидкий компонент крови проникает в ткань намного глубже, чем эритроциты, по существу заменяя всю интерстициальную жидкость плазмой крови в пределах нескольких сотен микрометров от кровоточащего сосуда.

Микрокровоизлияния вызывают сублетальное воспаление, которое может привести к нервной дисфункции.

Недавние эксперименты с этой новой моделью микрокровоизлияний предложили совершенно иной механизм дисфункции нейронов после микрокровоизлияний по сравнению с ишемическими поражениями.В отличие от окклюзии сосудов того же класса, небольшое кровоизлияние, по-видимому, не вызывает гибели нейронов или даже очевидных структурных изменений в дендритах () ¹⁶ . В течение нескольких дней гематома, по-видимому, несколько разлагается, позволяя некоторым структурам, вытесненным гематомой, например, нейронным отросткам, вернуться в исходное положение. Это очевидное отсутствие прямого повреждения нейронов или их отростков согласуется с наблюдениями на образцах людей, которые, хотя некоторые микрокровотечения показывают некоторый апоптоз в соседних клетках, многие кровотечения не показывают доказательств гибели клеток и почти никогда не обнаруживают признаков истинного нарушения ¹⁷ .Однако воспалительные изменения происходят в течение нескольких минут после кровотечения, о чем свидетельствует перенаправление процессов микроглии к месту кровоизлияния. В течение следующих нескольких дней плотность микроглии возле кровоизлияния увеличивается, и эти клетки демонстрируют активированную амебоидную морфологию (). Астроциты в этой области также демонстрируют повышенную реактивность, о чем свидетельствует повышенная экспрессия белка глиальной фибриллярной кислоты. Исследования стерильных несосудистых повреждений головного мозга на основе лазера предполагают, что первоначальная активация астроцитов обеспечивает направленные сигналы, которые поляризуют микроглию в направлении повреждения ^{18, 19} .Исследования на людях также обнаруживают воспалительные клетки вокруг микрокровоизлияний, включая макрофаги, активированную микроглию и лимфоциты ¹⁷ .

Примерно через неделю большая часть активированной микроглии в пределах нескольких сотен микрометров от кровоизлияния возвращается к нормальной форме, но плотный кластер микроглии или, возможно, клеток, полученных из моноцитов, передающихся с кровью, остается упакованным вокруг поражения () ¹⁶ . Такое хроническое воспаление может оставаться в очаге поражения в течение многих месяцев. Недавние данные, указывающие на то, что микроглия и астроциты играют активную роль в регулировании синаптической силы и, возможно, даже связности ^{20, 21} , предполагают, что этот быстро инициируемый, но хронически устойчивый воспалительный ответ может иметь функциональные последствия для нейронных проводников и активности.В настоящее время признано, что микроглия играет активную роль в модуляции количества синапсов как в развитии, так и на протяжении всей жизни и может участвовать в сокращении нежелательных связей между нейронами ^{22, 23} . Могут ли изменения активности и количества микроглии после микрокровоизлияния привести к изменению способности микроглии правильно регулировать синапсы? Увеличение скорости обновления дендритных шипов может быть вызвано легкими воспалительными повреждениями, например, вызванными хирургическими вмешательствами в черепном окне и инфекцией ²⁴ .Может ли активация микроглии, наблюдаемая рядом с микрокровоизлиянием, привести к аналогичным изменениям скорости оборота позвоночника вблизи кровоизлияния? Может ли такое несоответствующее изменение нейронных связей быть новым механизмом, посредством которого микрокровоизлияния или другие состояния, вызывающие нейровоспаление, оказывают когнитивный эффект?

Новые оптические инструменты позволили создать надежные модели микрососудистых сгустков и кровоизлияний на животных, а также детально изучить реакцию различных классов клеток мозга на эти поражения.Эти исследования показывают, что для нейронов ишемия, вызванная окклюзией, более разрушительна, чем кровотечение из того же класса сосудов. Однако микрокровоизлияния нельзя игнорировать, потому что они могут привести к долгосрочным изменениям в составе и функции клеток вокруг нейронов, что может привести к неизвестным когнитивным эффектам.

Сноски

Раскрытие информации. Авторы не разглашают финансовую информацию или другие конфликты интересов.

Ссылки

1. Vermeer SE, Prins ND, den Heijer T, Hofman A, Koudstaal PJ, Breteler MM.Тихие инфаркты головного мозга и риск деменции и снижения когнитивных функций. N Engl J Med. 2003; 348: 1215–1222. [PubMed] [Google Scholar] 2. Поэлс М.М., Икрам М.А., ван дер Лугт А., Хофман А., Ниссен В.Дж., Крестин Г.П. и др. Церебральные микрокровоизлияния связаны с ухудшением когнитивной функции: исследование роттердамского сканирования. Неврология. 2012; 78: 326–333. [PubMed] [Google Scholar] 3. Грегуар С.М., Смит К., Ягер Х.Р., Бенджамин М., Каллис С., Браун М.М. и др. Церебральные микрокровоизлияния и долгосрочные когнитивные результаты: продольное когортное исследование пациентов клиники инсульта.Cerebrovasc Dis. 2012; 33: 430–435. [PubMed] [Google Scholar] 4. Каллен К.М., Кочи З., Стоун Дж. Перикапиллярные отложения, богатые гемом: доказательства микрокровоизлияний в стареющей коре головного мозга человека. J Cereb Blood Flow Metab. 2005; 25: 1656–1667. [PubMed] [Google Scholar] 5. Nishimura N, Schaffer CB, Friedman B., Tsai PS, Lyden PD, Kleinfeld D. Целенаправленное повреждение подповерхностных кортикальных кровеносных сосудов с использованием ультракоротких лазерных импульсов: три модели инсульта. Нат методы. 2006; 3: 99–108. [PubMed] [Google Scholar] 6. Нисимура Н., Шаффер CB, Фридман Б., Лайден П.Д., Кляйнфельд Д.Проникающие артериолы являются узким местом в перфузии неокортекса. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2007; 104: 365–370. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 7. Schaffer CB, Friedman B, Nishimura N, Schroeder LF, Tsai PS, Ebner FF и др. Двухфотонная визуализация микрососудов кортикальной поверхности показывает устойчивое перераспределение кровотока после окклюзии сосудов. PLoS Biol. 2006; 4: e22. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 8. Nguyen J, Nishimura N, Fetcho RN, Iadecola C, Schaffer CB. Окклюзия восходящих кортикальных венул вызывает уменьшение кровотока, изменение направления потока на противоположное и расширение сосудов в вышележащих капиллярах.J Cereb Blood Flow Metab. 2011; 31: 2243–2254. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 9. Moody DM, Bell MA, Challa VR. Особенности сосудистого паттерна головного мозга, которые предсказывают уязвимость к перфузии или дефициту оксигенации: анатомическое исследование. AJNR Am J Neuroradiol. 1990; 11: 431–439. [PubMed] [Google Scholar] 10. Дрю П.Дж., Ши А.Ю., Дрисколл Д.Д., Кнутсен П.М., Блиндер П., Давалос Д. и др. Хронический оптический доступ через отполированный и усиленный истонченный череп. Нат методы. 2010; 7: 981–984. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 11.Нисимура Н., Росиди Н.Л., Ядекола С., Шаффер CB. Ограничение коллатерального кровотока после окклюзии одиночной кортикальной проникающей артериолы. J Cereb Blood Flow Metab. 2010; 30: 1914–1927. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 12. Чжан С., Бойд Дж., Делани К., Мерфи Т.Х. Быстрые обратимые изменения структуры дендритного шипа in vivo, зависящие от степени ишемии. J Neurosci. 2005; 25: 5333–5338. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 13. Ши А.Ю., Дрисколл Д.Д., Дрю П.Дж., Нисимура Н., Шаффер С.Б., Кляйнфельд Д.Двухфотонная микроскопия как инструмент для изучения кровотока и нервно-сосудистых связей в мозге грызунов. J Cereb Blood Flow Metab. 2012; 32: 1277–1309. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 14. Вон Со С., Хва Ли Би, Ким ЭДж, Чин Дж, Сон Чо Й, Юн Ю и др. Клиническое значение микрокровоизлияний при подкорковой сосудистой деменции. Гладить. 2007; 39: 1949–1951. [PubMed] [Google Scholar] 15. Верринг Д. Д., Грегуар С. М., Чиполотти Л. Церебральные микрокровоизлияния и сосудистые когнитивные нарушения. J Neurol Sci. 2010. 299: 131–135.[PubMed] [Google Scholar] 16. Росиди Н.Л., Чжоу Дж., Паттанаик С., Ван П., Джин В., Брофи М. и др. Кортикальные микрокровоизлияния вызывают локальное воспаление, но не вызывают обширной дегенерации дендритов. PloS One. 2011; 6: e26612. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 17. Шраг М., Маколи Дж., Помакиан Дж., Джиффри А., Тунг С., Мюллер С. и др. Корреляция гипоинтенсивности на изображениях, взвешенных по восприимчивости, с гистологией тканей у пациентов с деменцией и церебральной амилоидной ангиопатией: посмертное исследование МРТ.Acta Neuropathol. 2010; 119: 291–302. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 18. Хайнс DJ, Хайнс RM, Маллиган SJ, Macvicar BA. Процессы микроглии блокируют распространение повреждений в головном мозге и требуют наличия функциональных хлоридных каналов. Глия. 2009; 57: 1610–1618. [PubMed] [Google Scholar] 19. Davalos D, Grutzendler J, Yang G, Kim JV, Zuo Y, Jung S, et al. Atp опосредует быстрый ответ микроглии на локальное повреждение головного мозга in vivo. Nat Neurosci. 2005. 8: 752–758. [PubMed] [Google Scholar] 21. Tremblay ME, Лоури RL, Majewska AK.Взаимодействие микроглии с синапсами регулируется визуальным восприятием. PLoS Biol. 2010; 8: e1000527. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 22. Шафер Д.П., Лерман Е.К., Каутцман А.Г., Кояма Р., Мардинли А.Р., Ямасаки Р. и др. Микроглия формирует постнатальные нейронные цепи в зависимости от активности и комплемента. Нейрон. 2012; 74: 691–705. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 23. Паоличелли Р.К., Боласко Г., Пагани Ф., Магги Л., Шианни М., Панзанелли П. и др. Синаптическая обрезка микроглией необходима для нормального развития мозга.Наука. 2011; 333: 1456–1458. [PubMed] [Google Scholar] 24. Кондо С., Косака С., Окабе С. Долгосрочные изменения динамики позвоночника и микроглии после временного периферического иммунного ответа, вызванного lps in vivo. Мол мозг. 2011; 4: 27. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

Имитационное исследование, изучающее потенциальные диффузионные МРТ-сигнатуры микроинсультов

Животные

Обращение с животными проводилось в соответствии с руководящими принципами ARRIVE и рекомендациями Канадского совета по уходу за животными .Все эксперименты проводились в соответствии с соответствующими инструкциями и правилами. Все процедуры и обращения были также одобрены Комитетом по этике исследований на животных Монреальского института сердца. Использовали пять мышей-самцов C57BL / 6J в возрасте 3–6 месяцев. Имплантацию черепного окна проводили для каждой мыши над ее левым стволом коры (0,5 мм кзади от брегмы, на 3,5 мм латеральнее средней линии) для получения изображений ОКТ. После ретракции черепа была выполнена трепанация черепа диаметром 3 мм с использованием микродрели, твердая мозговая оболочка оставалась нетронутой.Мы покрыли открытую поверхность мозга уложенным четырехслойным покровным стеклом (3 \ (\ times \) 3 мм, 1 \ (\ times \) 5 мм в диаметре) и запечатали его стоматологическим акриловым цементом, чтобы предотвратить потенциальную инфекцию. К черепу приклеили фиксирующий стержень с помощью дентального акрила. Во время операции физиологические параметры, включая электрокардиограмму, дыхание, частоту сердечных сокращений и насыщение кислородом мышей, подвергнутых анестезии изофлураном, постоянно контролировались системой физиологического мониторинга мелких животных (Labeo Technologies Inc.\ circ \) С. Регистрация ОКТ проводилась на бодрствующих мышах в состоянии покоя, чтобы избежать модуляции сосудистой и нервной физиологии ^36,37 анестетиками. Во время получения изображения мышей помещали на свободное колесо беговой дорожки, фиксируя их голову на металлической раме с помощью хирургически прикрепленной планки. Следует упомянуть, что ОКТ-ангиография является фазочувствительной и что даже субпиксельные движения могут значительно снизить отношение сигнал / шум (SNR), и, следовательно, важно, чтобы мыши оставались неподвижными во время сеансов визуализации.Соответственно, мы обучили мышей использовать подголовник перед измерениями ОКТ, чтобы приучить их к фиксации головы и снизить уровень стресса. После недели тренировки на колесе беговой дорожки мыши смогли достичь состояния покоя в течение пяти минут после того, как их зафиксировали на установке. Они могли оставаться спокойными и неподвижными в течение нескольких минут, разделенных короткими приступами передвижения. После первоначального базового измерения мышей по-прежнему тренировали каждый день между сеансами визуализации, чтобы поддерживать их привыкание к подголовнику на протяжении всего исследования.Во время получения изображений за мышами внимательно наблюдали за передвижением.

Модель ишемического инсульта

В модели инсульта использовалась процедура локализованного фототромбоза, основанная на фотохимической реакции, предложенной Watson et al. ³⁸ . Мышам сначала внутрибрюшинно вводили светочувствительный краситель Rose Bengal (15 мг / мл, 0,2 мл). Выбранную область коры, свободную от крупных сосудов, облучали сфокусированным зеленым лазерным лучом, поскольку тромбоз крупных сосудов мог привести к менее предсказуемому и менее контролируемому результату.Кроме того, избегание областей с большими пиальными сосудами может также минимизировать влияние артефактов хвоста на изображениях ОКТ-ангиографии ³⁹ . Освещение зеленым светом заставляет Rose Bengal производить свободные радикалы, которые приводят к повреждению эндотелия микрососудов, тем самым вызывая дискоидную агрегацию тромбоцитов, которая в конечном итоге приводит к тромботической окклюзии. Весь процесс фототромбоза контролировался и контролировался с помощью самодельной системы лазерной спекл-визуализации.

Система сбора данных ОКТ

Визуализация кортикальной структуры и сосудистой сети была выполнена с помощью самодельной ОКТ в спектральной области.Широкополосный источник света с центром на 1310 нм от суперлюминесцентного диода (SLD) (LS2000C, Thorlabs, США) был разделен между плечом образца и эталонным плечом волоконно-оптическим соединителем 90:10 (TW1300R2A2, Thorlabs, США). Объектив с большим рабочим расстоянием (M Plan Apo NIR 10X, Mitutoyo, Япония) был установлен на конце кронштейна для образца для фокусировки коллимированного светового луча на образец ткани. Спектральная интерферограмма регистрировалась спектрометром (Cobra 1300- [1235–1385 нм], Wasatch Photonics, США), а затем оцифровывалась фреймграббером (PCIe-1433, National Instruments, США).Рассогласование дисперсии между двумя плечами сначала было тщательно компенсировано компенсационным стеклом N-SF11 (Edmund Optics, США), а затем небольшое остаточное рассогласование было тщательно скорректировано с помощью метода численной компенсации ⁴⁰ . Осевое разрешение в биологических тканях составило около 4,15 мкм. Боковое разрешение в ткани было около 2,3 мкм. В кронштейне для образца был помещен дихроичный фильтр для пропускания инфракрасного света, используемого системой ОКТ, и отклонения видимого света для получения изображений с широким полем.Получение изображений с широким полем зрения помогло определить область интереса (ROI) для сканирования с помощью ОКТ. Кронштейн для образца состоял из сканера гальванометра, расширителя луча и линзы объектива. Рука была установлена ​​на моторизованной платформе вертикального перемещения (MLJ150 / M, Thorlabs, США). Регулировку глубины фокуса изображения можно выполнить, подняв или опустив вертикальный столик. Колесо беговой дорожки, на которое была прикреплена мышь, было закреплено на моторизованном предметном столике линейного перемещения XY (T-LSR, Zaber Technologies, Канада) для точной регулировки относительного бокового положения черепного окна по отношению к световому лучу.3-осевое управление движением было интегрировано в наше программное обеспечение для сбора данных.

ОКТ-сканирование

Мы просканировали область размером 1 мм \ (\ times \) 1 мм с поражением, вызванным фототромбозом, расположенным в центре. Наши объемные сканирования коры головного мозга содержали 450 B-кадров, каждый из которых состоял из 500 A-линий. Сначала необработанные спектры были повторно дискретизированы в k-пространстве, а затем умножены на окно Ханнинга. Затем было применено обратное преобразование Фурье (IFT) для получения трехмерных комплексных структурных изображений ОКТ.B-сканирование повторяли дважды в каждой позиции вдоль медленной оси. Глобальные флуктуации фазы (GPF), вызванные движением субпикселей в повторяющихся B-кадрах, были скорректированы на основе предположения, что динамическая ткань составляет только очень небольшой процент ткани мозга и что фаза и интенсивность света, отраженного от статической ткани, остаются постоянными ⁴¹ . В принципе, свет, отраженный движущимися эритроцитами (RBC), испытывает большой фазовый сдвиг и / или большое изменение интенсивности. Таким образом, мы получаем изображение сосуда, взяв фазу и разность интенсивности между повторным B-кадром с поправкой на GPF ⁴² .Полученные трехмерные ангиограммы были отфильтрованы с помощью трехмерного сглаживающего ядра по Гауссу со стандартным отклонением, равным 1 пикселю во всех трех измерениях. Использовалась быстрая частота сканирования оси 90 Гц, в результате чего время сбора данных составляло 10 с на объемное сканирование.

Реконструкция ОКТ

Для извлечения более полной информации о капиллярной сети в коре были выполнены три ОКТ-ангиографии с временным разрешением в одной и той же области интереса с фокусировкой светового луча на трех разных глубинах коры головного мозга, а именно 250 \ (\ upmu \) m, 400 \ (\ upmu \) m и 550 \ (\ upmu \) m ниже кортикальной поверхности.Чтобы добиться смещения аксиального фокуса в ткани, мы выполнили вертикальное перемещение линзы объектива в кронштейне образца, установленном на столике вертикального перемещения. После этого стопки ОКТ для каждого животного, взятые с учетом трех различных установок, зависящих от глубины, рекомбинируют, чтобы сформировать одну стопку. Чтобы получить окончательный желаемый стек, мы следовали процедуре, основанной на измерении среднего значения локальных энтропий, вычисленных из каждого стека после его нормализации и свертки с помощью набора фильтров Габора.Затем средние меры энтропии для всех стеков нормализуются с помощью функции softmax, наложенной на ось, представляющую индекс каждого стека. Затем интенсивности вокселей в каждом стеке взвешиваются с помощью соответствующих нормированных локальных энтропий. Наконец, мы берем сумму взвешенных интенсивностей из всех стеков, чтобы восстановить выходной стек. В нашей процедуре мы использовали 18 двумерных фильтров Габора, построенных с ориентациями \ (\ in {0, \ pi / 6, \ pi / 3, \ pi / 2, 2 \ pi / 3, \ pi} \), фаза смещение \ (\ in {2.5, 5, 7,5} \) и длиной волны = 0,01. Ядро, используемое для вычисления локальной энтропии, имеет размер (15, 15). Мы провели послойные вычисления, чтобы количественно оценить энтропию каждого стека. В нашем исследовании хронического микроинсульта мы провели 6 сеансов ОКТ-визуализации в течение 28 дней. Исходное измерение было выполнено за день до фототромбоза. Второй сеанс визуализации проводился через 3 дня после того, как в мозге мыши было индуцировано тромботическое поражение, и следующие 4 измерения были выполнены через 8 дней, 14 дней, 21 день и 28 дней соответственно после события ишемического инсульта.

Сегментация сосудов и построение графиков

В литературе представлено много работ по сегментации сосудов. Лучшие из последних схем были основаны на нейронных сетях U-Net ⁴³ с их сверточной архитектурой, которая принимает изображения произвольных размеров. В этой работе мы использовали архитектуру LadderNet, используемую в ⁴⁴ , которая вдохновлена ​​архитектурой U-Net, но с более взаимосвязанными информационными путями. Эту архитектуру можно рассматривать как несколько составных U-сетей с большим количеством путей.По сравнению с традиционной схемой U-Net, структура с разделяемыми весами в LadderNet позволяет горизонтальное распространение через уложенные друг на друга U-сети, что заставляет процесс обучения выполняться на более ранних уровнях и, таким образом, обеспечивает лучшие результаты ¹⁹ . Мы обучили и оценили нашу сеть на собственном подготовленном и аннотированном наборе данных из ангиограмм с двухфотонной микроскопией. Этот набор данных для двухфотонной микроскопии был подготовлен и использован в предыдущих исследованиях ^20,21 . Следует отметить, что ручное аннотирование наших ОКТ-ангиограмм невозможно из-за их большого размера.Поэтому мы использовали нашу обученную сеть, чтобы автоматически аннотировать их. Набор данных для двухфотонной микроскопии, используемый для обучения, состоял из 59 8-битных 2D-изображений в градациях серого размером 256 \ (\ times \) 256 пикселей, которые затем были разделены на 70%, 15% и 15% части для обучения, проверки и тестирования, соответственно. . Изображения были стандартизированы путем вычитания среднего и деления на стандартное отклонение. Затем было применено адаптивное выравнивание гистограммы с ограничением контраста для исправления светового дисбаланса. Изображения были скорректированы с гамма-значением 1.2. Процессы обучения, тестирования и проверки выполнялись по частям (размер фрагмента 32 \ (\ times \) 32) после дополнения со случайными ротациями. Каждый из путей нисходящего и восходящего потоков в сети имел 4 сверточных уровня. Использовали коэффициент наклона 0,001. Мы применили обученную сеть на каждом срезе наших 3D-ангиограмм ОКТ, чтобы получить соответствующие очерченные сосудистые структуры. После сегментации мы использовали метод построения графиков, предложенный недавно Damseh et al. ²¹ , чтобы преобразовать наши бинаризованные входные данные в полностью связанные скелеты на основе графов.Этот метод создает графы геометрической сетки, заключенные в границы сосудов, и многократно деформирует их по направлению к осевым линиям сосудов. Затем конвергентные геометрии уточняются и преобразуются в каркасы на основе графов. Выходные графические модели состояли из узлов, распределенных по осевым линиям сосуда, чтобы фиксировать геометрию, и ребер, соединяющих эти узлы, для представления унаследованной топологии. Метод назначает радиусы сосудов узлам графа с уникальными идентификаторами для каждого их набора, расположенного в определенной сосудистой ветви / сегменте.Мы использовали набор инструментов VascGraph, связанный с этой работой, доступный на https://github.com/Damseh/VascularGraph, для создания и визуализации анатомических графиков.

Регрессия потока и PO2

Чтобы подготовить сгенерированную анатомическую модель для проведения экспериментов по моделированию МРТ, нам пришлось назначить биофизические величины для сосудистых компартментов, а именно значения потока и PO2. Значения потока необходимы для управления процессом адвекции в нашей модели МРТ. С другой стороны, значения PO2 необходимы для восстановления возмущений магнитного поля, которые вызывают эффект T2 * в нашем моделировании МРТ.Процедура вычисления этих возмущений по РО2 объясняется далее в этом разделе. Определение значений расхода и PO2 с помощью биофизического моделирования утомительно из-за низкого качества входных данных OCT, что затрудняет формулировку правильной геометрической области, подходящей для таких вычислений. Другими словами, такие вычисления чрезвычайно чувствительны к топологическим ошибкам, которые легко могут помешать окончательному решению. Здесь вместо этого мы следовали подходу, основанному на машинном обучении, который использует ансамбль случайных деревьев решений, т.е.е. случайные леса, подогнанные к экспериментальным данным, собранным на моделях мышей в предыдущей работе, выполненной Moeini et al. ³⁴ . Данные состояли из \ (> 300 \) измерений значений PO2 и потока микрососудистых сегментов головного мозга, имеющих разные размеры, типы и расположенных на разной глубине коркового слоя. Мы построили две отдельные модели случайного леса, которые принимают информацию о радиусе, типе и глубине сосудистого сегмента и выводят соответствующие значения потока и PO2. Типы сегментов сосудов определялись после пороговой обработки значения радиуса 3 \ (\ upmu \) м ³⁴ .Сосудистые сегменты с радиусом выше порогового значения были случайным образом выбраны как артерии или вены, тогда как остальные были выбраны как капилляры. Следуя этой процедуре, нам нужно было только аппроксимировать сосудистую геометрию, чтобы уловить анатомические особенности, необходимые для модели случайного леса, и избежать зависимости от биофизического моделирования, которое требует точных аннотаций и очень подвержено любой топологической ошибке, вызванной в сосудистой модели. . Каждый из двух случайных лесов состоял из 100 деревьев решений с 10 максимальной глубиной.Архитектура наших регрессионных лесов была выбрана после оценки среднеквадратичной ошибки (MSE) в результате использования различных архитектурных настроек. Тот же показатель MSE использовался для определения качества разделения в отдельных деревьях решений, составляющих модель леса. Минимальное количество выборок, необходимых для разделения в каждом дереве решений, было установлено равным 2. Для уменьшения дисперсии, возникающей в результате выходных данных нескольких деревьев, подогнанных по случайным подвыборкам, с заменой из исходного обучающего набора ⁴⁵ , использовалось минимальное количество выборок, необходимых для разделения в каждом дереве решений. .

Моделирование МРТ

Было создано несколько схем Монте-Карло для изучения диффузионного ответа МРТ ^22,23,46,47 . В нашем исследовании мы реализовали код моделирования МРТ Монте-Карло на Python, следуя тем же процедурам предыдущих протоколов ^22,23 , которые были созданы с использованием Matlab. Принципы моделирования в этих работах изначально основывались на описаниях, приведенных в ⁴⁶ . Предыдущие реализации были выполнены для решения проблемы МРТ-ответа, зависящего от уровня кислорода в крови (ЖИРНЫЙ).Здесь, чтобы соответствовать целям нашего исследования, мы разработали новые функции для создания симуляций последовательностей DWI с разнонаправленным спин-эхом. В наших численных следах МРТ (совпадающих с вышеупомянутыми исследованиями) предполагалось, что МРТ-ответ в мозгу мыши может быть аппроксимирован путем исследования поведения большого количества протонов водородной воды, движущихся в фоновом режиме из-за процессов свободной диффузии и ограниченной адвекции. . Практически наше предположение включало следующие подробные описания: значение Т2 в областях ткани фиксировано, но варьируется в пределах сосудистого пространства; Эффект Т2 * имеет пространственные вариации в зависимости от уровня дезоксигемоглобина в сосудистой сети, см. Рис.2А. Как было предложено в предыдущих работах по изучению МРТ-ответов сосудов ^22,23,48,49 , мы пренебрегли набором факторов, которые незначительно влияют на извлеченный сигнал: атомы водорода, не связанные с водой, дополнительное присутствие железа в базальных ганглии и некоторые другие отделы мозга, неоднородности внешних полей B0 и B1, градиентная нелинейность, вариабельность гематокрита. Кроме того, чтобы сделать возможным наш анализ, мы исключили макроскопическое разрушение магнитного поля, происходящее из-за несовершенного шиммирования или микроскопических различий полей, возникающих из-за применяемых градиентов.2 \) / мс ⁵⁰ . Мы также обновляем внутрисосудистые местоположения протонов на каждом временном шаге, чтобы учесть процесс адвекции, который контролируется предсказанными картами скорости / потока. С учетом упомянутых выше предположений, среди констант релаксации, необходимых для наших расчетов, есть константа, приписываемая локальным неоднородностям магнитного поля, влияющим на T2 *, из-за присутствия дезоксигемоглобина в сосудистой сети. Другой важный фактор релаксации, влияющий на T2, связан со спин-спиновой связью, где он вычисляется на основе подобранных моделей, показанных в ⁵¹ .2 \ left (\ Delta — \ frac {\ delta} {3} \ right) \ end {align} $$

(2)

где \ (\ gamma \) — гиромагнитное отношение протонов водорода. Формулу в (1) можно рассматривать как стандартную модель IVIM для диффузионного сигнала при считывании, предполагая, что и ткань, и кровь имеют одинаковый T2. Здесь наши симуляции нацелены на более реалистичные результаты, учитывая взаимодействие отдельных спинов с картой T2 и магнитные возмущения, меняющиеся во внутри- и внесосудистом пространстве. \ circ \) в нашей последовательности DWI, тогда как \ (d = -1 \) после него.Термины \ (\ Delta \ text {B} _ {x, y, z} \) и \ (\ text {G} _ {x, y, z} \) представляют собой возмущения магнитного поля при x , y , z координаты от дезоксигемоглобина в сосудистой сети и приложенного градиентного поля соответственно. Мы использовали численный метод, описанный в ⁵² , чтобы вычислить возмущения в магнитном поле, \ (\ Delta \ text {B} _ {x, y, z} \), сворачивая объем сдвига восприимчивости, который вычисляется в зависимости от на уровне PO2 с эллипсоидальным ядром, ориентированным с полем B0.{-1} \ end {align} $$

(7)

Значения SO2 \ (_ {x, y, z} \) были рассчитаны на основе их эквивалентов PO2 \ (_ {x, y, z} \), предсказанных с помощью нашей схемы случайного леса, как объяснялось ранее, на основе алгоритма Хилла. уравнение преобразования с коэффициентами, специфичными для мышей C57BL / 6 (h = 2,59 и P50 = 40,2) ⁵³ . Значения гематокрита, необходимые для вычисления восприимчивости поля \ (\ Delta \ text {B} _ {x, y, z} \), как описано в ⁵² , были приняты равными 0.44 в артериолах и венулах и 0,33 в капиллярах ⁵⁴ .

В задаче поиска сигнатуры ухудшения микрососудистой архитектуры, происходящей из-за ишемических тромботических событий, нас интересует набор соотношений \ (R = \ {r_i = \ frac {S_i} {S_0}, i \ in \ {1, 2, \ ldots, n \} \} \), рассчитанный путем применения n градиентов с направлениями, одинаково выбранными из всех возможных вариантов в трехмерном пространстве. Как обсуждалось в разделе «Введение», в предыдущих работах ^8,9 сообщалось, что воксели с тромботической ишемией демонстрируют сильно радиальную ориентацию микрососудов в латеральной плоскости вокруг ядра поражения.Это означает, что более высокая скорость перфузии, то есть повышенная потеря сигнала МРТ, будет наблюдаться, когда поле градиента параллельно боковой плоскости по сравнению с тем, которое возникает, когда оно перпендикулярно ей. В общем, предполагается, что здоровые воксели под пиальной поверхностью состоят из случайно ориентированных капиллярных сегментов и, таким образом, приведут к сравнимой потере сигнала МРТ независимо от направления выбранного градиента. Следовательно, соотношение \ (\ phi = 1-max (R) \) можно рассматривать как биологический маркер, отличающий здоровые воксели от тех, которые имеют тромботическое поражение, см. Рис.3D. Помимо вычисления \ (\ phi \) через зондирование поведения спинов во всем вокселе или ROI, мы также изучали реакцию при пренебрежении внесосудистыми спинами, таким образом опуская член диффузии в (1). Такую процедуру можно было практически перевести на ASL. Техника ASL интегрирована в нашу структуру моделирования путем простого построения начальных ядерных спинов, которые должны содержаться только в сосудистом пространстве. Затем эти спины подвергаются эффекту диффузии и адвекции, и их сигнал обновляется, как описано ранее.

Новый проклятие для мозга крысы | Наука

Исследователи нашли способ использовать фемтосекундные лазеры, чтобы вызывать удары глубоко в мозгу крыс. Этот метод должен помочь исследователям создать более реалистичные модели инсульта на грызунах и помочь в поиске методов лечения людей.

Существует два основных типа инсульта: ишемический инсульт, при котором кровеносный сосуд заблокирован, и геморрагический инсульт, при котором кровеносный сосуд разрывается и истекает кровью.В обоих случаях ткань, питаемая сосудом, умирает, потому что не получает достаточно кислорода. Существующие модели инсульта у всего животного не могут должным образом разделить эти различные аспекты для изучения. Кроме того, исследователи стремятся создать «микроинсульты», при которых повреждается только один маленький отдельный кровеносный сосуд. Накопление микроинсультов может вызвать когнитивный дефицит, который часто путают с начальными симптомами болезни Альцгеймера.

Чтобы помочь разработать лучшую модель инсульта на крысах, физик Дэвид Кляйнфельд, невролог Патрик Лайден и его коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Диего обратились к фемтосекундным лазерам.Лазеры, традиционно используемые для резки таких материалов, как стекло, создают короткие световые импульсы высокой энергии. Впервые применив лазеры на живой ткани мозга, команда обнаружила, что при концентрации в точной точке фемтосекундный лазерный свет испаряет ткань у крыс, создавая закупорки или разрывы в отдельных кровеносных сосудах, в зависимости от интенсивности. Благодаря точности, свет холоднее, чем у традиционных лазеров, поэтому исследователям не нужно отделять повреждение от удара от теплового повреждения.

Новая техника также позволяет углубляться. По словам Кляйнфельда, существующие методы разрушают только крупные сосуды у поверхности мозга. Когда исследователи объединили лазер с трехмерным картированием мозга, они смогли нацелить сосуды далеко ниже видимой поверхности, сообщают они в текущем выпуске Nature Methods .

«Объединение этих технологий позволит [нам] ответить на вопросы, на которые ранее не было ответа из-за отсутствия экспериментальной модели», — говорит гематолог Роберт Флауменхафт из медицинского центра Beth Israel Deaconess в Бостоне, штат Массачусетс.Радиолог Энг Ло из Массачусетской больницы общего профиля в Чарльзтауне говорит, что теперь у исследователей есть инструмент для исследования множества различных типов инсульта. «Газета представляет собой важный шаг вперед», — говорит он.

Сайты по теме

(PDF) Тяжесть микроинсультов зависит от топологии сосудов и исходной перфузии.

23.! Silasi! G,! She! J,! Boyd! JD,! Xue! S,! Murphy! TH.! A! Mouse! модель! маленького судна! болезни! что! 931!

производит! Микрокклюзии, идентифицируемые по всему мозгу, и регионально-селективное повреждение нейронов.! 932!

Журнал! Церебральной! Крови! Потока! &! Метаболизма.! 2015; 35 (5): 734-8.! 933!

24.! Zhu! L,! Hoffmann! A,! Wintermark! M,! Pan! X,! Tu! R,! Rapp! JH.! Делайте! Микроэмболи! Достигайте! Мозга! 934!

проникающих! Артерий?! Журнал! Хирургических! Исследований.! 2012; 176 (2): 679-83.! 935!

25.! Lam! CK,! Yoo! T,! Hiner! B,! Liu! Z,! Grutzendler! J.! Embolus! Extravasation! Является альтернативой! 936!

механизм! Для! Церебральной! Микрососудистой! Реканализации.! Nature.! 2010; 465 (7297): 478-82.! 937!

26.! Schmid! F,! Barrett! MJP,! Jenny! P,! Weber! B.! Сосудистая! Плотность! И! Распределение! В! Неокортексе.! 938!

Neuroimage.! 2019; 197: 792-805.! Doi:! 10.1016 / j.neuroimage.2017.06.046.! PubMed! PMID:! 939!

28669910.! 940!

27.! Duvernoy! HM,! Delon! S,! Vannson! JL.! Кортикальные! Кровеносные сосуды! Человеческого мозга.

Bull.! 1981; 7: 519-79.! Doi:! 10.1016 / 0361-9230 (81)

-1.! 942!

28.! Blinder! P,! Tsai! PS,! Kaufhold! JP,! Knutsen! PM,! Suhl! H,! Kleinfeld! D.! Кортикальный! Ангиома:! An! 943!

взаимосвязанная! Сосудистая! Сеть! С! Неколоночными! Узорами! Кровотока.! Природа! Неврология.! 944!

2013; 16 (7): 889-97.! Doi:! 10.1038 / nn.3426.! 945!

29.! Фишер! CM.! Артериальные! Поражения! Лежащие в основе! Лакун.! Acta! Neuropathol.! 1968; 12 (1): 1-15.! 946!

doi:! 10.1007 / BF00685305.! PubMed! PMID:! 5708546.! 947!

30.! Gan! R,! Sacco! RL,! Kargman! DE,! Roberts! JK,! Boden-Albala! B,! Gu! Q.! Проверка действительности! 948!

! Лакунарная! Гипотеза:! Северный Манхэттен! Инсульт! Учись! Опыт! Неврология.! 949!

1997; 48 (5): 1204-11.! Doi:! 10.1212 / wnl.48.5.1204.! PubMed! PMID:! 9153444.! 950!

31.! Lyons! DG,! Parpaleix! A,! Roche! M,! Charpak! S.! Отображение концентрации кислорода в пробужденном состоянии 951!

мышь! Мозг.! ELife.! 2016; 5: e12024.! Doi:! 10.7554 / eLife.12024.! 952!

32.! Roche! M,! Chaigneau! E,! Rungta! RL,! Boido! D,! Weber! B,! Charpak! S.! In! Vivo! Imaging! С помощью! A! 953!

вода! Погружение! Цель! Влияет на температуру мозга, кровоток и насыщение кислородом.! Elife.! 2019; 8.! 954!

doi:! 10.7554 / eLife.47324.! PubMed! PMID:! 31397668;! PubMed! Central! PMCID:! 955!

PMCPMC6707784.! 956!

33.! Van! Veluw! SJ,! Scherlek! AA,! Freeze! WM,! Ter! Telgte! A,! Van! Der! Kouwe! AJ,! Bacskai! BJ,! Et! Al.! 957!

Различные! Микрососудистые изменения! Лежат в основе! Микрокровоизлияний! И! Микроинфарктов.! Анналы! Из! 958!

неврология.! 2019; 86 (2): 279-92.! 959!

34.! Окамото! Y,! Ямамото! T,! Kalaria! RN,! Senzaki! H,! Maki! T,! Hase! Y,! Et! Al.! Cerebral! 960!

гипоперфузия! Ускоряет! Церебральную! Амилоидную! Ангиопатию! И! Способствует! Кортикальным! Микроинфарктам.! 961!

Acta! Neuropathol.! 2012; 123 (3): 381-94.! Doi:! 10.1007 / s00401-011-0925-9.! PubMed! PMID:! 962!

22170742;! PubMed! Центральный! PMCID:! PMCPMC3282897.! 963!

35.! Arbel-Ornath! M,! Hudry! E,! Eikermann-Haerter! K,! Hou! S,! Gregory! JL,! Zhao! L,! Et! Al.! 964!

Интерстициальный! Жидкий! Дренаж! Нарушен! В! Ишемическом! Инсульте! И! Болезни Альцгеймера! Мышиных моделях.! 965!

Acta! Neuropathologica.! 2013; 126 (3): 353-64.! 966!

36.! Hawkes! CA,! Härtig! W,! Kacza! J,! Schliebs! R,! Weller! RO,! Nicoll! JA,! Et! Al.! Периваскулярный! 967!

дренаж растворенных веществ нарушен в мозге стареющей мыши и в присутствии церебрального 968!

амилоид! Ангиопатия.! Acta! Neuropathologica.! 2011; 121 (4): 431-43.! 969!

37.! Hawkes! CA,! Jayakody! N,! Johnston! DA,! Bechmann! I,! Carare! RO.! Отказ! Из! Периваскулярных! 970!

дренаж! Бета-амилоида! В! Церебральной! Амилоидной! Ангиопатии.! Мозг! Патол.! 2014; 24 (4): 396-403.! 971!

doi:! 10.1111 / bpa.12159.! PubMed! PMID:! 24946077.! 972!

38.! Cruz! Hernandez! JC,! Bracko! O,! Kersbergen! CJ,! Muse! V,! Haft-Javaherian! M,! Berg! M,! Et! Al.! 973!

Нейтрофилы! Адгезия! В! Мозге! Капиллярах! Уменьшает корковый кровоток и ухудшает память! 974!

в моделях! Болезни Альцгеймера! Мыши!.! Nat! Neurosci.! 2019; 22 (3): 413-20.! Doi:! 975!

10.1038 / s41593-018-0329-4.! PubMed! PMID:! 30742116;! PubMed! Central! PMCID:! 976!

PMCPMC6508667.! 977!

39.! Schmid! F,! Tsai! PS,! Kleinfeld! D,! Jenny! P,! Weber! B.! Зависит от глубины! Потока! И! Давления! 978!

характеристики! В! Корковых! Микрососудистых! Сетях.! PLOS! Вычислительная! Биология.! 979!

2017; 13 (2): e1005392.! Doi:! 10.1371 / journal.pcbi.1005392.! 980!

40.! Schmid! F,! Barrett! MJP,! Obrist! D,! Weber! B,! Jenny! P.! Красные клетки крови! Стабилизируются! Втекают в мозг 981!

микрососудистых! Сетей.! PLoS! Comput! Biol.! 2019; 15 (8): e1007231.! Doi:! 982!

10.1371 / journal.pcbi.1007231.! PubMed! PMID:! 31469820;! PubMed! Central! PMCID:! 983!

PMCPMC6750893.! 984!

.CC-BY 4.0 Международная лицензия (не подтвержденная экспертной оценкой) является автором / спонсором.Он доступен под владельцем авторских прав на этот препринт. Эта версия опубликована 6 июля 2020 г. https://doi.org/10.1101/2020.07.05.188565doi: препринт bioRxiv

Любовь на лугу: детская мечта символичного кандидата в сериал воскресла, несмотря на неизлечимую болезнь …

Матье — один из знаковых кандидатов последнего сезона «Любви на лугу». 44-летний фермер принял участие в шоу, транслируемом на M6, в попытке найти любовь. Квест завершен с тех пор, как он встретил Александра, 25 лет.И поскольку это любовь с первого взгляда, пара живет на облаке.

Недавно они осуществили свою любовь! В субботу, 26 июня, этим двум мужчинам сказали «да» в ратуше Сернхака в Гарде. Карин Ле Маршан, ведущая ведущая программы, присутствовала на церемонии и даже сыграла важную роль.

Пара недавно призналась нашим коллегам из Femme Actuelle. Возможность для Матье рассказать о своем здоровье.

«Я записался (в« Любовь на лугу »), когда узнал, что у меня неизлечимая болезнь — болезнь Кадасила.На самом деле, дело в гене 19. Для 1/3 людей это большие инсульты, а для остальных двух третей это дегенерация с микроинсультом «», — признался он. «Не понравится ни какой конец. Я сообщила об этом своему парню в то время, которому это совершенно не удалось ».

Редкая генетическая патология, которой страдает и его отец. К тому же последняя в плохом состоянии…

И именно из-за этой болезни кандидат 15-го сезона ADP отказался от рождения ребенка.Да, но это было до того, как ее муж объяснил ей причины не отпускать эту мечту… «Он сказал мне кое-что, что потрясло меня.