Modellare le dinamiche del cervello

L’idrocefalo normoteso è una condizione neurologica provocata dall’accumulo del fluido cerebrospinale nel cervello. La sovrapposizione dei sintomi e dei dati con altre patologie di carattere neurodegenerativo come la malattia di Alzheimer ostacola una corretta diagnosi di questa malattia e le scarse conoscenze sulle meccaniche intra-craniche, oltre alla difficoltà di acquisire misurazioni dettagliate interne al cervello, limitano ulteriormente le possibilità di trattamento.

Per affrontare questa sfida, il progetto DINUMA (Development of an integrated numerical model of the intra-cranial space (including the brain parenchyma, blood flow and cerebrospinal fluid) for clinical application), finanziato dall’UE, ha proposto di sviluppare una piattaforma numerica multi-scala delle dinamiche intra-craniche. In questo contesto, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modello strutturale dal basso per il parenchima cerebrale e un approccio multi-scala per i flussi di CSF ventricolare. L’analisi delle dinamiche della pressione intra-cranica in salute e malattia dimostra come una migliore conoscenza delle dinamiche parenchimali e del CSF potrebbe migliorare la diagnostica clinica.

Il modello strutturale dal basso si basa sulle micro-deformazioni e sulla microstruttura dei tessuti per ricostruire l’interazione globale tra il parenchima e il suo ambiente. Nonostante le sottostanti proprietà elastiche delle cellule, il tempo necessario al fluido extracellulare per riequilibrarsi nella matrice cellulare conferisce al tessuto cerebrale proprietà visco-elastiche e dipendenti dalla velocità di deformazione che sono state confermate dai risultati sperimentali. Ancora più importante, in presenza di carico costante, il cervello si deforma progressivamente man mano che il fluido defluisce dallo spazio extra-cellulare. Un’osservazione che può presentare implicazioni per la patogenesi dell’idrocefalo normoteso.

Le simulazioni multi-scala delle dinamiche del CSF hanno dimostrato che, benché il movimento delle pareti e la pulsazione del plesso coroideo influiscano su di esse nelle regioni centrali dei ventricoli, le dinamiche in prossimità delle pareti e lo stress di taglio sulle pareti sono dominati dalle pulsazioni delle ciglia ependimali, a dimostrazione che le dinamiche intra-craniche sono il risultato di complesse risposte a livello cellulare.

Clinicamente, la resistenza al flusso in uscita di CSF serve come misura delle dinamiche intra-craniche dei pazienti di idrocefalo normoteso, con una procedura che prevede un test di infusione e il calcolo della resistenza del flusso in uscita con un’approssimazione che spesso risulta insoddisfacente. I risultati preliminari in vitro dimostrano un miglioramento significativo di questi dati quando si tengono in considerazione anche le proprietà visco-elastiche del cervello, come previsto con il modello DINUMA. La stima accurata delle dinamiche intra-craniche presenta quindi una forte rilevanza dal punto di vista clinico.