Digital hjerne kan vise hvor legemidler tar veien

På sikt kan den digitale hjernen brukes til å undersøke hvordan legemidler transporteres til ulike deler av hjernen og tilpasse dosering for hver enkelt pasient.

Hjernen og ryggmargen er omgitt av væske. Den beskytter sentralnervesystemet og transporterer næringsstoffer og avfallsstoffer. Væsken kan også brukes til å frakte legemidler til hjernen.

Hvordan stoffene beveger seg, er vanskelig å observere direkte.

MR viser hvor et kontrastmiddel, et stoff som synes på bildene, ender opp. Men det viser ikke hvordan hjernevæsken frakter det dit. MR er en metode som bruker sterke magneter og radiobølger til å ta bilder av kroppens indre.

Forsøk på mus gir verdifulle pekepinner, men det er ikke gitt at funnene gjelder for mennesker.

Modellen er utviklet av forskere ved Simula og Brown University.

Slik er modellen bygd opp

Modellen bygger på MR-bilder av én bestemt hjerne. Dermed kan forskerne ta hensyn til at hjernens form og strukturer varierer fra person til person.

Hjernen og væsken rundt deles opp i over en million små, tredimensjonale elementer.

Modellen utfører to beregninger: en som viser hvordan væsken strømmer, og en som viser hvordan stoffer transporteres med den.

– Dette kan du definitivt ikke gjøre på den bærbare PC-en din. Antallet elementer avgjør hvor stor datamaskin du trenger, og en hjerne trenger rett og slett veldig mange av dem, sier Causemann.

Den rolige, jevne flyten

For å forstå hvordan stoffer beveger seg, må modellen først få med hvordan hjernevæsken selv beveger seg. Hjerteslag og pust skyver den fram og tilbake. Det kan måles med MR, men gir først og fremst bedre blanding, ikke forflytning.

Det som transporterer stoffene videre, er en langsom, jevn strøm av væske i én retning. Denne har forskerne beregnet ut fra hvor mye væske hjernen produserer.

– Det er denne som i stor grad bestemmer hvordan et stoff beveger seg. Men strømmen som kan måles med MR, er dominert av de store, pulserende bevegelsene, sier Causemann.

Dette er likevel bare en del av bildet. Rundt blodårene på hjernens overflate ligger smale, væskefylte kanaler som kalles perivaskulære rom. De spiller også en viktig rolle.

Hurtigveier langs blodårene

I disse kanalene tror forskerne at væsken og oppløste stoffer beveger seg raskere. Strømmen drives trolig av bølger i åreveggene. Omtrent én bølge hvert tiende sekund pumper væsken framover.

Kanalene er så smale at de er vanskelige å ta med direkte i en tredimensjonal modell av hele hjernen. Forskerne har derfor laget et nettverk av tynne linjer som kobles til modellen av hjernevevet og blodårene. Slik kan de beregne hvordan stoffer beveger seg gjennom kanalene og ut i vevet.

– Et stoff i de perivaskulære rommene kan sammenlignes med et blad i en elv. Det flyter ganske raskt av gårde, båret av strømmen. På et kart er en elv bare en strek, og slik beskriver vi de perivaskulære rommene. Det gjør at vi kan ta med et stort nettverk i en modell av hele hjernen, sier Causemann.

Stemmer med MR-studier

Når kanalene ble inkludert i modellen, stemmer resultatene fra simuleringen med tidligere MR-studier utført av forskerne Per Kristian Eide og Geir Ringstad. De viser at kontrastmiddelet først dukker opp i kanalene rundt noen av de store blodårene.

I modellen skjer det bare hvis bølger i åreveggene pumper væsken raskt gjennom kanalene.

– Dette er kanskje det mest interessante vi har gjenskapt med modellen. Kontrastmiddelet dukket opp først rundt de store blodårene, akkurat som i MR-studien, sier Causemann.

– En mulig forklaring er de langsomme bevegelsene langs åreveggene. De sender en bølge omtrent hvert tiende sekund og pumper væsken i én retning, forklarer Causemann.

Kan bli et verktøy for persontilpasset behandling

Med MR-bilder av en hjerne kan man i prinsippet bygge en modell av akkurat den hjernen og simulere hvor et legemiddel vil ende opp.

– Det første steget vil være å forstå hvordan legemidler transporteres. Deretter kan vi se hvor stor dose som faktisk når fram til et bestemt sted, for eksempel en svulst, sier Causemann.

– Hvis simuleringen viser at første dose ikke er nok, kan du justere, slik at riktig dose når fram til svulsten.

Rammeverket er åpent tilgjengelig. Programvare, geometrier og eksempel på resultater er delt slik at andre forskere kan bruke dem og bygge videre på dem.

Hvor blir en halv liter hjernevæske av?

Hjernevæsken produseres i hjernekamrene og må tas opp igjen et sted.

– Det er ganske uklart hvor væsken blir tatt opp. Det er overraskende, for det er ikke en liten mengde, det er omtrent en halv liter om dagen, sier han.

Causemann bygger nå modeller som skal kunne si noe om hvor væsken tar veien. Bedre kunnskap om væskestrømmen kan gi mer realistiske modeller av hvordan stoffer transporteres i hjernen.

Kilder:

Marius Causemann m.fl.: In-silico solute transport via perivascular networks in the human intracranial space. Nature Communications, 2026. Doi.org/10.1038/s41467-026-77174-z

Per Kristian Eide og Geir Ringstad: Functional analysis of the human perivascular subarachnoid Space. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46329-1

Artikkelen er produsert og finansiert av Simula Research Laboratory

Simula Research Laboratory er én av over 80 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff. Her kan du lese mer om ordningen.

Les også disse sakene fra Simula Research Laboratory:

• 

  Ved hjelp av denne avanserte datamodellen kan forskere se hvordan hjernens rensesystem fungerer

• 

  På dette nettstedet snakker KI fritt med hverandre: Lagde egen religion

• 

  Hvordan forstår hjernen hvor vi er?

• 

  – Folk sliter med digitalisering fordi det faktisk er vanskelig

• 

  Hva skjer bak kulissene for å holde dataene dine trygge?

• 

  Nye data kan kanskje forutse hvor godt en fotball­spiller kommer til å gjøre det i neste kamp

Les flere saker laget av Simula Research Laboratory her.

forskning.no vil gjerne høre fra deg!

Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? TA KONTAKT HER