Последствия черепно-мозговой травмы или инсульта часто развиваются волнообразно. Первичное повреждение может сказаться на мышлении, двигательной активности и эмоциональном состоянии, тогда как вторичные повреждения приводят к постепенной гибели клеток мозга, которая может продолжаться часами, днями и даже месяцами. Однако эти процессы запускают в скелетной системе ответную реакцию, направленную на восстановление.
Врачи давно заметили, что у пациентов, которые одновременно получили черепно-мозговую травму и сломали кости, переломы срастаются значительно быстрее, а костная мозоль образуется гораздо интенсивнее, чем обычно. Это объясняется тем, что при повреждении мозга пострадавшие клетки высвобождают в кровоток микроскопические пузырьки, заполненные жидкостью. Эти пузырьки достигают скелета, где прикрепляются к молодым стволовым клеткам костной ткани — остеопрогениторам — и побуждают их к размножению и формированию новой костной ткани.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Neuroscience, обратили внимание на взаимосвязь между головным мозгом и костной тканью и решили выяснить, работает ли она в обратном направлении — могут ли сигналы, исходящие от костей, стимулировать восстановление мозга.
Ученые провели серию экспериментов на свиньях и мышах. У них искусственно, под анестезией, вызывали черепно-мозговую травму или инсульт, затем животных помещали в специальные биомеханические установки, оснащенные фиксаторами для конечностей.
В течение пяти дней подряд на большеберцовую кость испытуемых оказывали мягкое ритмичное сжимающее воздействие (сдавливание) с частотой два сжатия в секунду. Этот метод получил название «динамическая осевая компрессионная нагрузка на большеберцовую кость» (DCTAL).
Результаты экспериментов показали, что механическое воздействие на кости ног способствовало восстановлению мозга после инсульта и черепно-мозговой травмы, а также улучшало двигательные функции и память животных. Так, у мышей с черепно-мозговой травмой метод DCTAL уменьшил гибель клеток мозга, снизил уровень хронического воспаления и стимулировал образование новых нейронов.
Количество незрелых нейронов увеличилось в 4,5 раза, а численность популяции нейральных стволовых клеток возросла почти в шесть раз. При этом показатель выживаемости животных в течение 14 дней увеличился с 20% до 90%.
Применение DCTAL до инсульта или вскоре после него приводило к уменьшению двигательных нарушений у мышей более чем на 50%. Что касается показателей памяти, то они улучшились почти в пять раз всего через неделю после повреждения мозга.
Кости конечностей содержат множество остеоцитов — клеток, способных воспринимать механическое воздействие благодаря белку PIEZO1, который служит своего рода «выключателем» процесса восстановления мозга. Активация PIEZO1 под действием механической нагрузки побуждает остеоциты высвобождать в кровоток смесь защитных сигнальных белков — подобно тому, как это делают эндокринные клетки. Когда исследователи удалили PIEZO1 из этих клеток, целебный эффект полностью исчез, что свидетельствует о ключевой роли этого белка как пускового механизма.
Результаты исследования продемонстрировали, что ось «кость — мозг» работает в обоих направлениях: механическое воздействие на кость способно модулировать ее гормональную активность, стимулируя восстановление мозга после травмы, отметили исследователи.
Если эти результаты подтвердятся в клинических испытаниях, простое устройство, оказывающее мягкое ритмичное давление на большеберцовую кость, может стать средством реабилитации для пациентов, неспособных выполнять физические упражнения самостоятельно, заключили авторы статьи.