Авторы исследования отмечают, что центральная нервная система лишена классической лимфатической сети, поэтому для удаления отходов жизнедеятельности она использует циркуляцию жидкостей через собственные ткани. Для этого необходимы механические движения самих полушарий, однако долгое время оставалось неясным, какой именно внешний фактор запускает этот процесс, учитывая, что мозг защищен костями черепа и позвоночника.
В ходе эксперимента ученые зафиксировали головы мышей над беговой дорожкой и создали в черепной кости специальные «окна». На поверхность наносились флуоресцентные микросферы, а нейроны под костью заставляли светиться с помощью вирусного вектора. Для наблюдения использовался двухфотонный микроскоп с электрически перестраиваемой жидкой линзой, способной менять кривизну до 40 раз в секунду. Это позволяло быстро переключать фокус между черепом и мозгом и фиксировать их взаимное смещение. Одновременно в мышцы живота животных имплантировали электроды для записи электромиограммы.
Чтобы установить анатомическую связь между брюшной полостью и черепом, исследователи заполнили сосудистую систему мышей рентгеноконтрастным веществом и провели сканирование позвоночника с использованием микрокомпьютерной томографии. Дополнительно была проведена проверка с помощью пневматического пояса: спящим мышам на живот надевали миниатюрную манжету, которую на короткое время надували, имитируя сокращение мышц пресса без их реальной работы.
Наблюдения показали, что при переходе от шага к бегу мозг животных смещается вперед и вбок примерно на один микрометр относительно черепа. При этом движение не было связано ни с дыханием, ни с сердечным ритмом. Выяснилось, что смещение начинается еще до начала движения — за доли секунды до первого шага. Это совпадает с моментом, когда мышь напрягает мышцы кора, стабилизируя тело перед ускорением.
Данные микрокомпьютерной томографии позволили объяснить механизм происходящего. В поясничных и крестцовых позвонках были обнаружены микроскопические отверстия, через которые вены соединяют брюшную полость со спинномозговым каналом. При сокращении пресса кровь из живота устремляется в позвоночник, заполняя венозную сеть. Это приводит к сдавливанию оболочек спинного мозга и выталкиванию спинномозговой жидкости вверх, в сторону черепа. Эксперимент с пневматическим поясом подтвердил этот эффект: искусственное повышение давления в области живота вызывало аналогичное смещение мозга даже у спящих животных.
Моделирование на компьютере показало, что такие импульсы давления работают как насос, формируя потоки жидкости, которые выталкивают отработанные вещества из тканей мозга в субарахноидальное пространство. Таким образом, ученые пришли к выводу, что мозг и брюшная полость связаны единой гидравлической системой.
Хотя полученные данные пока основаны на экспериментах с мышами, они помогают объяснить, почему у человека внутричерепное давление меняется при кашле, натуживании или глубоком дыхании животом. Сокращения мышц пресса запускают циркуляцию ликвора и тем самым участвуют в очищении мозга от продуктов жизнедеятельности.