高解像度脳シミュレーションが神経変性疾患における感染性シードの拡散メカニズムを解明

• 新モデルが、脳の不均一な構造を通じて感染性シードがどのように拡散するかを調査
• 成人の脳MRIスキャンを用いて、2Dおよび3Dの高解像度シミュレーションを作成
• これらのシミュレーションは、多数の神経変性疾患で観察される損傷パターンを再現

加齢に関連する神経変性疾患は、多面的で複雑な病理です。ほとんどの場合、その進行はプリオンとして知られる特定のタンパク質凝集体の進行と密接に関連しています。

プリオンは感染性シードであり、タンパク質凝集とミスフォールディングの連鎖反応を引き起こし、立体構造的自己触媒を生み出します。徐々にこれらのシードは拡大、断片化し、脳の他の領域へ広がります。これにより神経系の正常な機能が影響を受け、大脳萎縮、壊死、そして最終的に死に至ります。これはパーキンソン病、アルツハイマー病、ALS（筋萎縮性側索硬化症）でまさに起きていることです。

スティーブンス工科大学、スタンフォード大学、オックスフォード大学の研究者たちは、これらの感染性シードが脳の不均一な構造を通じてどのように拡散するかを調べる新しいモデルを開発しました。このモデルは、すべての疾患における有害分子の分布が、これらの分子が最初に現れた場所に依存することを示しています。

シミュレーションによると、脳損傷の大部分は、物理的衝撃によって障害を受けた脳細胞を体が除去することによって生じます。著者らは、このツールが科学者たちが深刻な脳疾患の進行を阻止するのに役立つと考えています。

生化学を無視したモデル

多くの神経変性疾患では、初期の有害分子は不明確ですが、特定の方法でミスフォールディングしながら自己複製します。病気は、変形したタンパク質が脳全体に広がり、塊や線維として凝集することで進行します。

この新しいモデルは、生化学的および細胞メカニズムを無視し、有害タンパク質の伝播と増加という根本的なプロセスのみをシンプルに表現しています。

細胞外の液体を通じて移動するのではなく、脳内の有害分子はニューロン（神経細胞のネットワーク）を通じて移動します。各神経細胞は核軸索からなり、他の神経細胞へ電気信号を伝達します。軸索は脳の白質の大部分を占め、細胞体には灰白質の大部分が含まれます。

参照: APS Physics | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | オックスフォード大学

このモデルでは、有害分子は特定の速度で軸索に沿って拡散し、白質を通過します。また細胞外領域にも拡散しますが、はるかに遅い速度です。灰白質では、これらの分子は中程度の速度で等方的に拡散します。新しい領域に拡散すると、その領域に存在する有害タンパク質の数に依存する特定の速度で自己複製を始めます。

脳内の有害タンパク質をシミュレート

臨床データ（上）vs シミュレーション（下） | 矢印はアルツハイマー病における有害タンパク質の伝播を示す | Credit: A. Goriely / オックスフォード大学

2Dおよび3Dの高解像度シミュレーションを作成するため、著者らは成人の脳MRIスキャンを使用しました。2Dコンピュータシミュレーションは垂直スライス（左右または前後）で実行され、3Dシミュレーションは脳全体をカバーしました。

その後、パーキンソン病とアルツハイマー病の進行に関する臨床データをマッピングしました。これらのデータによると、有害タンパク質は特定の場所から始まり、特定のパターンで広がります。著者らはこれらの初期条件をシミュレーションに入力し、シミュレーションが各疾患に関連するパターンを正確に再現することを発見しました。

このモデルは、物理的側面を考慮に入れることで、科学者たちが生化学についてより深く学ぶのを助けます。シミュレーションは、拡散が神経変性疾患の進行において主要な役割を果たすことを明確に示しています。これは将来の学際的研究に新たな方向性を与える可能性があります。