Salt væske skyller jevnlig gjennom hjernen for å fjerne vaksiner og avfall, men etter et slag oversvømmer denne væsken organet og drukner cellene.
Hevelse i hjernen, kjent som hjerneødem, oppstår etter hjerneslag når vann renner inn i hjerneceller og rommet som omgir dem. I årevis trodde forskere at overflødig væske kom fra blod, men nye bevis tyder på at vannet fjærer helt fra en annen kilde: den natriumrike cerebrospinalvæsken som gjennomsyrer hjernen. Disse resultatene kommer fra både levende musemodeller og menneskelig vev.
Funnene, publisert 30. januar i tidsskriftet Science, peker på potensielle behandlinger for å dempe hevelse i hjernen og forbedre pasientenes restitusjon etter hjerneslag.
Vaskesyklus gått galt
Hjerneslag oppstår når en blokkering plugger et blodkar i hjernen, eller et kar brister fullstendig. Uten tilstrekkelig energiforsyning kan hjerneceller ikke lenger politisere hvilke partikler som passerer gjennom membranene deres. I løpet av få minutter svulmer nevronene som overfylte strandkuler og begynner å kortslutte, påløper skade og dø. Timer senere begynner også det tette vevde fôret blodkar i hjernen, blod-hjerne-barrieren, å fungere, og hele organet tar på seg vann.
"I over 60 år trodde folk at denne ansamlingen av væske kom fra blodet" som lekket gjennom den kompromitterte blod-hjerne-barrieren, sier studielederforfatter Dr. Humberto Mestre, en kliniker og nåværende doktorgradsstudent ved University of Rochester Medical Center ( URMC) Center for Translational Neuromedicine. Men hjerneødem setter inn lenge før blod-hjerne-barrieren brytes sammen, og får Mestre og kollegene til å lure på om vannet faktisk kommer fra et annet sted.
"Ingen hadde sett på disse alternative væskekildene," sa Mestre. Cerebrospinalvæske, som utgjør omtrent 10% av væsken som finnes i pattedyrets kraniale hulrom, skilte seg ut som en lovende kandidat, la han til.
I hjernen strømmer cerebrospinalvæske gjennom det glykmatiske systemet, et nettverk av rør som slynger seg langs stier skåret ut av organets årer og arterier, ifølge en 2015-rapport i tidsskriftet Neurochemical Research. Væsken strømmer rett utenfor blodkarene, holdt på plass av en "smultringformet tunnel" av celler. (Bilde en lengde på ledningen, som representerer en arterie, som hviler inne i en gummislange, som fungerer som den ytre tunnelen fylt med væske.) Når muskler langs arteriene trekker seg sammen, skyves den nærliggende cerebrospinalvæsken langs ruten og plukker opp metabolsk avfall på veien. I tillegg til å ta ut søpla, kan det glykmatiske systemet også bidra til å distribuere fett, sukker og andre viktige forbindelser i hjernen.
Selv om det er avgjørende i en sunn hjerne, i kjølvannet av et hjerneslag, går det glymfatiske systemet i høyslipp og driver utbruddet av ødem, fant Mestre og hans medforfattere. "Cerebrospinalvæsken er faktisk den primære driveren for hevelse rett etter at hjerneslaget har skjedd," sa Mestre.
Holder flommen
Rollen som cerebrospinalvæske i hjerneslag unngikk forskere i flere tiår, delvis fordi det ikke eksisterte noen teknologi for å observere et hjerneslag som utspiller seg i sanntid, sa Mestre.
Han og hans medforfattere kombinerte flere teknikker for å observere endring i væskestrøm hos mus som opplever slag. Teamet kikket inn i dyrenes hjerner ved hjelp av både MR og et to-foton mikroskop, som bruker lys og lysstoffkjemikalier for å avbilde levende vev. "Vi kan i utgangspunktet forestille oss hva cerebrospinalvæsken gjør mens hjerneslaget skjer," sa Mestre. Ved å infusere væsken med radioaktive partikler, kunne forskerne også bestemme hvordan strømningshastigheten endret seg over tid.
Ved å bruke disse metodene bestemte teamet at ødem tar tak i musehjernen "så tidlig som 3 minutter" etter hjerneslag, lenge før blod-hjerne-barrieren begynte å lekke, sa Mestre. Som hjerneceller kortslutter, spyr de kjemiske budbringere kjent som nevrotransmittere og kalium i rommet utenfor membranene. Nærliggende celler reagerer på tilstrømningen av kjemikalier og på sin side kortslutning. Når disse elektriske stormene sveiper gjennom hjernen, trekker musklene i blodkarene seg sammen og skaper en romlomme mellom seg selv og det omkringliggende glymfatiske systemet. Salt cerebrospinalvæske suges inn i det resulterende vakuumet og drar med seg vannmolekyler.
"Uansett hvor natrium samler seg, vil vann følge det," sa Mestre. Teamet kunne se dette spillet med følge-leder utfolde seg i utvalgte områder av hjernen, men kunne ikke spore vannstrøm i hele orgelet på en gang. Ved å bruke en datamaskinmodell for å simulere hele det glymatiske nettverket, var de imidlertid i stand til å forutsi hvordan innsnevring av blodkar ville føre strømmen av vann gjennom en hel musehjerne etter hjerneslag.
For å koble prikkene mellom mus og mennesker, undersøkte forfatterne hjernevevet til pasienter som hadde dødd av iskemisk hjerneslag, hvor en blodpropp blokkerer et blodkar i hjernen. Musen og menneskene hjerner akkumulerte væske i de samme regionene, nemlig områder som det glykmatiske systemet løper gjennom og plukker opp avfall. Gitt den sterke korrelasjonen mellom dyr og mennesker, "disse funnene kunne gi et konseptuelt grunnlag for utvikling av alternative behandlingsstrategier," bemerket forfatterne.
Teamet testet en av disse strategiene hos mus ved å blokkere en vannkanal på astrocytter, celler i hjernen som hjelper til å lede vann gjennom det glykmatiske systemet. Mus som manglet kanalen var saktere med å utvikle ødem etter hjerneslag, noe som antydet at en lignende behandling kunne vise løfte hos menneskelige pasienter. I tillegg til å blokkere vannstrømmen, kan fremtidige behandlinger potensielt forhindre ødem ved å bremse spredningen av slagindusert elektrisk aktivitet i hjernen, la forfatterne til. Disse elektriske stormene fortsetter å sprekke hjernen i flere dager etter hjerneslag, og oppfordrer til ødem hver gang de skjer.
De skadelige bølgene av elektrisk aktivitet som sees ved iskemisk hjerneslag vises også i samspill med "praktisk talt enhver skade," sa Mestre. Den nye studien antyder at det glymfatiske systemet kan spille roller i forhold der det er blødning i og rundt hjernen, traumatisk hjerneskade og til og med migrene, selv om slike forbindelser forblir "rent spekulative." En dag kan det glymfatiske systemet tilby legene en helt ny strategi for behandling av akutte hjerneskader, sa Mestre.
