Исследования, проведенные на грызунах, продемонстрировали, что уменьшение объема мышц брюшного пресса приводит к изменению положения головного мозга внутри черепа. Увеличение давления в области живота повышает внутреннее давление в брюшной полости, которое через позвоночные вены передается в черепную коробку и действует подобно гидравлической системе. Данное механическое воздействие способствует очищению нервной системы от токсичных веществ и клеточного мусора.

Центральная нервная система не обладает стандартными лимфатическими сосудами. Для выведения продуктов метаболизма мозг непрерывно пропитывает свои ткани жидкостью, что требует физического перемещения полушарий. Поскольку черепная коробка и позвоночник создают впечатление непроницаемого костного барьера, источник внешней механической силы долгое время оставался неясным.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Neuroscience, чтобы отследить изменения в положении мозга. Специалисты по изучению нервной системы зафиксировали положение головных частей мышей во время бега на дорожке. В черепные кости были сделаны небольшие отверстия: на поверхность поместили флуоресцентные микрочастицы, а нейроны под костью подвергли воздействию вирусного вектора для создания свечения. Ученые использовали двухфотонный микроскоп с электрически управляемой жидкой линзой для сканирования этого участка. Линза меняла свою форму со скоростью 40 раз в секунду, обеспечивая быстрое переключение фокуса между черепом и мозгом для фиксации их взаимного смещения. Одновременно исследователи имплантировали электроды в мышцы живота животных с целью регистрации электрической активности (ЭМГ).

Чтобы установить анатомическую связь между телом и головой, ученые заполнили кровеносную систему мышей контрастным веществом для рентгеновской визуализации и провели сканирование позвоночника методом микрокомпьютерной томографии. В качестве заключительного теста на спину спящих животных был установлен миниатюрный пневматический пояс, который позволял имитировать напряжение пресса путем кратковременного (две секунды) искусственного повышения давления в брюшной полости и исключения активной работы мышц).

Выяснилось, что при переходе с ходьбы на бег происходит незначительное смещение мозга грызуна – он продвигается вперед и вбок относительно черепа примерно на один микрон. Это перемещение не коррелирует с частотой дыхания или сердцебиения. Ключом к пониманию стало время: мозг начинает двигаться за несколько сотых долей секунды, предшествующих первому шагу животного по беговой дорожке. Этот механизм связан с автоматической реакцией на предварительное сокращение мышц живота – мышь напрягает кор для стабилизации тела перед ускорением.

Микротомографические изображения позволили ученым выявить причину этого смещения. В поясничных и крестцовых отделах позвоночника испытуемых были обнаружены микроскопические каналы, обеспечивающие прямое соединение брюшной полости с спинномозговым каналом посредством вен. При сокращении мышц пресса часть крови из живота перетекает в позвоночник, вызывая расширение местной венозной сети. Расширенные вены оказывают давление на оболочку спинного мозга (дуральный мешок), приводя к выталкиванию спинномозговой жидкости вверх, в черепную коробку. Эксперимент с использованием пневматического пояса подтвердил это: внешнее сдавливание брюшной полости вызывало аналогичное движение головного мозга у мыши во время сна.

Виртуальное моделирование продемонстрировало, что подобные толчки действуют как насос. Давление из брюшной полости создает потоки, способствующие выведению жидкости из мозговой ткани в субарахноидальное пространство.

Проведенное исследование указывает на то, что головной мозг и брюшная полость образуют единую гидравлическую систему. Хотя данный процесс был подробно изучен исключительно на мышиной модели, он позволяет понять, почему внутричерепное давление у людей изменяется при напряжении, кашле или глубоком дыхании животом. Сокращения мышц пресса стимулируют циркуляцию спинномозговой жидкости и способствуют очищению мозга от продуктов метаболизма.