神经退行性疾病的计算机模拟

与年龄相关的神经退行性疾病是多方面且复杂的病理学。在大多数情况下，它们的生长与某些称为朊病毒的蛋白质聚集体的进展密切相关。

朊病毒是一种传染性种子，可引发蛋白质聚集和错误折叠的连锁反应，产生构象自催化。渐渐地，这些种子膨胀、分裂并扩散到大脑的其他区域。这会影响神经系统的正常功能并导致脑萎缩、坏死，并最终导致死亡。这正是帕金森病、阿尔茨海默病和 ALS 中发生的情况。

现在，史蒂文斯理工学院、斯坦福大学和牛津大学的研究人员开发了一种新模型，可以检查这些传染性种子如何通过大脑的不均匀结构扩散。说明毒性分子在所有疾病中的分布取决于这些分子首次出现的位置。

模拟表明，脑损伤的发生主要是由于身体去除了受到物理冲击而受损的脑细胞。作者相信他们的工具将帮助科学家阻止严重脑部疾病的进展。

在许多神经退行性疾病中，最初的有毒分子仍然是模糊的，但它们会以特定方式复制自身以错误折叠。随着畸形蛋白质穿过大脑并聚集成团块和纤维，疾病会进展。

这种新模型忽略了生化和细胞机制，仅代表了有害蛋白质的繁殖和数量增加的基本过程。

大脑中的有毒分子不是穿过细胞外的液体，而是穿过神经元（神经细胞网络）。每个神经细胞由一个细胞核和一个轴突组成，轴突将电信号传递给其他神经细胞。轴突占大脑白质的大部分，而它们的细胞体包含大部分灰质。

参考：APS 物理 | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 |牛津大学

在此模型中，有毒分子以特定速率沿轴突扩散并穿过白质。它们也扩散到细胞外区域，但速度要慢得多。在灰质中，这些分子以中等速度各向同性扩散。一旦它们扩散到一个新区域，它们就会以特定的速度创建自己的副本，这取决于这些区域中存在的有毒蛋白质的数量。

临床数据（顶部）与模拟（底部）|箭头显示毒性蛋白质在阿尔茨海默氏症中的传播|图片来源：A. Goriely / 牛津大学

为了在 2D 和 3D 中创建高分辨率模拟，作者使用了成人大脑的 MRI 扫描。 2D计算机模拟在垂直切片（左右或前后）中进行，3D模拟覆盖整个大脑。

然后他们绘制了帕金森病和阿尔茨海默病进展的临床数据。根据这些数据，有毒蛋白质从特定位置开始并以特定模式传播。作者将这些初始条件输入到他们的模拟中，他们发现模拟准确地重现了与每种疾病相关的模式。

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该模型可以通过考虑生物化学的物理方面来帮助科学家更多地了解生物化学。模拟清楚地表明，扩散在神经退行性疾病的进展中起着重要作用。它可以为未来的跨学科研究提供新的方向。

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