高分辨率大脑模拟揭示神经退行性疾病中感染种子的扩散机制

与年龄相关的神经退行性疾病是多面且复杂的病理。大多数情况下，其发展与称为朊蛋白的特定蛋白聚集体进展密切相关。

朊蛋白是引发蛋白聚集和错误折叠链式反应的感染种子，产生构象自催化。逐渐这些种子扩大、断裂并扩散到大脑其他区域，影响神经系统正常功能，导致大脑萎缩、坏死并最终致死。这正是帕金森病、阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 的发病过程。

斯蒂文斯理工学院、斯坦福大学和牛津大学研究人员开发新模型，研究这些感染种子如何通过大脑不均匀结构扩散。模型表明，所有疾病中有毒分子的分布取决于这些分子首次出现的位置。

模拟显示，大脑损伤主要源于身体清除受物理冲击损害的脑细胞。作者认为该工具将帮助科学家阻断严重脑部疾病的进展。

许多神经退行性疾病中，初始有毒分子仍模糊不清，但它们以特定方式自我复制并错误折叠。疾病随畸形蛋白在大脑中延伸、在团块和纤维中聚集而进展。

新模型忽略生物化学和细胞机制，仅表征有害蛋白传播和数量增长的基本过程。

大脑中有毒分子不通过细胞外液传播，而是沿神经元（神经细胞网络）移动。每个神经元包含细胞核和传递电信号的轴突。轴突占大脑白质大部分，细胞体包含大部分灰质。

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

模型中，有毒分子以特定速率沿轴突扩散通过白质；也以慢得多的速率扩散到细胞外区域。在灰质中，这些分子以中等速率各向同性扩散。一旦扩散到新区域，它们以特定速率自我复制，速率取决于该区域有毒蛋白数量。

临床数据（上）与模拟（下）对比 | 箭头显示阿尔茨海默病中有毒蛋白传播 | 来源：A. Goriely / 牛津大学

为创建二维和三维高分辨率模拟，作者使用成人大脑MRI扫描。二维计算机模拟在垂直切片（左右或前后）进行，三维模拟覆盖整个大脑。

随后映射帕金森病和阿尔茨海默病进展的临床数据。数据显示有毒蛋白从特定位置开始以特定模式扩散。作者将这些初始条件输入模拟，发现模拟准确重现了每种疾病相关的模式。

该模型通过考虑物理层面帮助科学家了解更多生物化学信息。模拟清晰显示扩散在神经退行性疾病进展中起主要作用，可为未来跨学科研究提供新方向。

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