科學家發現運動對大腦微妙的「淨化」作用

研究表明，當腹部肌肉收緊時，會對連接脊髓和大腦的血管施加壓力。這種壓力導致大腦在頭骨內輕微移動。這種溫和的運動似乎有助於腦脊髓液穿過大腦，而腦脊髓液可能攜帶會幹擾正常大腦功能的廢物。

運動與大腦健康之間的機械聯繫

賓州州立大學工程科學、力學、神經外科、生物學和生物醫學工程教授 Patrick Drew 表示，這些發現建立在先前關於睡眠和神經元損失如何影響大腦中腦脊髓液流動時間的研究基礎上。

研究的作者德魯說：“我們的研究解釋了簡單的運動如何成為促進大腦健康的重要生理機制。” 「在這項研究中，我們發現，當腹部肌肉收縮時，它們將血液從腹部推向脊髓，就像在液壓系統中一樣，擠壓大腦並使其移動。模擬表明，這種溫和的大腦運動會導致液體在大腦內部和周圍流動。大腦中的液體運動被認為對於清除廢物和預防神經退行性疾病很重要。我們的研究表明，一點點運動是有益處的，這可能是另一個運動。

德魯也是哈克生命科學研究所的副所長，他將這個過程比喻為液壓系統。在這種情況下，腹部肌肉起到泵的作用。即使是很小的動作，例如在站立或邁步之前伸直核心，也可以產生這種效果。壓力透過椎靜脈叢傳遞，椎靜脈叢是連接腹部和脊髓腔的靜脈網絡，導致大腦輕微移動。

影像檢測肌肉收縮引起的大腦運動

為了觀察這個過程，研究人員使用兩種先進的成像技術研究了移動的小鼠。雙光子顯微鏡提供了活體組織的詳細圖像，而電腦斷層掃描提供了整個器官的高解析度 3D 影像。

他們發現，在動物移動之前，也就是在它們拉緊腹部肌肉開始移動之後，大腦就開始移動。

為了確保腹部壓力是關鍵因素，研究團隊對輕度麻醉的小鼠腹部施加了溫和、受控的壓力。沒有涉及其他運動。壓力水平低於人們在血壓測試中感受到的壓力水平，但它會導致大腦移動。

「最重要的是，一旦腹部壓力減輕，大腦就開始回到其基線位置，」德魯說。 “這表明腹壓可以快速而顯著地改變大腦在頭骨內的位置。”

模擬顯示液體如何流經大腦

在確認腹部收縮刺激大腦運動後，研究人員轉向以下問題：這種運動如何影響液體流動？當時，還沒有影像方法能夠詳細捕捉腦脊髓液快速而複雜的行為。

「幸運的是，我們賓州州立大學的跨學科團隊已經能夠推進這些技術，包括對活體小鼠進行成像實驗以及創建流體運動的電腦模擬，」德魯說。 “這種專業知識的結合對於理解這些類型的複雜系統以及它們如何影響健康非常重要。”

工程科學、力學、生物醫學工程、機械工程和數學教授 Francesco Costanzo 領導了建模工作。

「模擬大腦內部和周圍的流體流動提出了獨特的挑戰，因為存在同時和獨立的運動，以及耦合的、依賴時間的運動。計算每一個運動都需要考慮每次流體粒子穿過大腦的許多膜之一時發生的特殊物理現象，」科斯坦佐說。 「所以，我們簡化了它。大腦的結構類似於海綿，這意味著你有一個柔軟的骨骼，液體可以通過它流動。”

透過將大腦視為海綿，研究團隊能夠模擬流體如何穿過不同大小的空間，類似於大腦的褶皺或海綿的毛孔。

「為了與大腦作為海綿的想法保持一致，我們也將其視為骯髒的海綿——如何清潔骯髒的海綿？」科斯坦佐問道。 「你把它放在水龍頭下並擠壓它。在我們的模擬中，我們能夠確定腹部收縮的大腦動作如何幫助刺激液體流過大腦，從而幫助清除廢物。”

對大腦健康和疾病預防的影響

德魯指出，需要更多的研究來確定這些發現如何應用於人類。然而，研究結果表明，日常運動可能有助於腦脊髓液在大腦中循環，有助於清除廢物，並可能降低與廢物堆積相關的神經退化性疾病的風險。

「這種類型的運動非常小。它是當你走路或緊握腹部肌肉時產生的，這是你進行任何身體行為時所做的。這可以對你的大腦健康產生巨大的影響，」德魯說。

研究及融資團隊

合著者包括德魯實驗室的博士後研究員 C. Spencer Garburg； Beatrice Getty，當時是德魯實驗室的博士後研究員 C. Spencer Garburg；Beatrice Getty，當時是 Costanzo 和 Drew 的博士後研究員，現在是奧克蘭大學的研究員；張慶光，曾任德魯實驗室研究助理教授，現為密西根州立大學生理學助理教授； Joseph M. Ricotta，Drew 實驗室的博士後研究員； Mueller) 在進行這項研究時領導賓州州立大學定量成像中心，現任野生動物領導學院執行董事； Greenwalt 和 Hyunsuk Lee，賓州州立大學研究生； Kevin L. Turner 和 Ravi T. Kedarasiti，在 Drew 和 Costanzo 的共同指導下從賓州州立大學獲得博士學位；還有 Marceline Mustafa，一名獲得生物學學位的大學生。該計畫的 CT 成像是在賓州州立大學定量成像中心（能源與環境研究所的核心研究設施）進行的。

美國國立衛生研究院、賓州衛生部和美國心臟協會支持這項研究。