Un nuevo descubrimiento revela cómo el movimiento ayuda a limpiar el cerebro

Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania descubrieron que el cerebro está más conectado físicamente al cuerpo de lo que se pensaba. En un estudio publicado el 27 de abril en Nature Neuroscience, los científicos utilizaron experimentos en ratones y simulaciones por computadora para desvelar una posible razón por la cual la actividad física favorece la salud cerebral.

El estudio reveló que al contraer los músculos abdominales, se ejerce presión sobre los vasos sanguíneos conectados a la médula espinal y al cerebro. Esta presión provoca un leve desplazamiento del cerebro dentro del cráneo, lo que parece facilitar el movimiento del líquido cefalorraquídeo alrededor del cerebro, contribuyendo a la eliminación de desechos que pueden interferir con su funcionamiento normal.

Un vínculo mecánico entre el movimiento y la salud cerebral

Patrick Drew, profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica, neurocirugía, biología e ingeniería biomédica en Penn State, destacó que los hallazgos se basan en investigaciones previas sobre cómo el sueño y la pérdida de neuronas afectan el flujo del líquido cefalorraquídeo en el cerebro. "Nuestra investigación explica cómo simplemente moverse puede servir como un mecanismo fisiológico importante para promover la salud cerebral", afirmó Drew, autor principal del artículo. "Encontramos que cuando los músculos abdominales se contraen, empujan la sangre desde el abdomen hacia la médula espinal, como en un sistema hidráulico, aplicando presión al cerebro y provocando su movimiento. Las simulaciones muestran que este movimiento suave del cerebro impulsa el flujo de líquido en torno a él, lo que se cree que es crucial para eliminar desechos y prevenir trastornos neurodegenerativos. Este estudio indica que un poco de movimiento es beneficioso, y podría ser otra razón por la cual el ejercicio es bueno para nuestra salud cerebral".

Drew, quien también es director asociado de los Huck Institutes of the Life Sciences, comparó el proceso con un sistema hidráulico. En este caso, los músculos abdominales actúan como la bomba. Incluso acciones pequeñas, como contraer el abdomen antes de levantarse o dar un paso, pueden generar este efecto. La presión se transmite a través del plexo venoso vertebral, una red de venas que vincula el abdomen con la cavidad espinal, lo que lleva a un ligero movimiento del cerebro.

Técnicas de imagen revelan el movimiento cerebral provocado por contracciones musculares

Para observar este proceso, los investigadores estudiaron ratones en movimiento utilizando dos técnicas avanzadas de imagen. La microscopía de dos fotones proporcionó imágenes detalladas de tejido vivo, mientras que la microtomografía computarizada ofreció vistas en 3D de alta resolución de órganos completos.

Los científicos encontraron que el cerebro se desplazaba justo antes de que los animales se movieran, inmediatamente después de que los músculos abdominales se contraían para iniciar el movimiento.

Para confirmar que la presión abdominal era el factor clave, el equipo aplicó presión controlada y suave en los abdomenes de ratones ligeramente anestesiados. No se involucró ningún otro movimiento. El nivel de presión fue inferior al que una persona experimenta durante una prueba de presión arterial, sin embargo, aún así provocó el movimiento del cerebro.

"Es importante destacar que el cerebro comenzó a regresar a su posición base inmediatamente después de aliviar la presión abdominal", comentó Drew. "Esto sugiere que la presión abdominal puede alterar rápida y significativamente la posición del cerebro dentro del cráneo".

Simulaciones muestran cómo puede fluir el líquido a través del cerebro

Tras confirmar que las contracciones abdominales impulsan el movimiento del cerebro, los investigadores se enfocaron en la siguiente pregunta: cómo este movimiento influye en el flujo de líquido. En ese momento, ningún método de imagen podía capturar el comportamiento rápido y complejo del líquido cefalorraquídeo en detalle.

"Afortunadamente, nuestro equipo interdisciplinario en Penn State pudo desarrollar estas técnicas, incluyendo la realización de experimentos de imagen en ratones vivos y la creación de simulaciones por computadora del movimiento del líquido", indicó Drew. "Esa combinación de experiencia es fundamental para entender estos tipos de sistemas complicados y cómo impactan la salud".

Francesco Costanzo, profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica, ingeniería biomédica, ingeniería mecánica y matemáticas, lideró el trabajo de modelado.

"Modelar el flujo de líquido dentro y alrededor del cerebro presenta desafíos únicos debido a los movimientos independientes simultáneos, así como a los movimientos acoplados dependientes del tiempo. Tener en cuenta todos ellos requiere considerar la física especial que ocurre cada vez que una partícula de líquido cruza una de las muchas membranas del cerebro", explicó Costanzo. "Por lo tanto, simplificamos el modelo. El cerebro tiene una estructura similar a una esponja, en el sentido de que tiene un esqueleto blando y el líquido puede moverse a través de él".

Al tratar el cerebro como una esponja, el equipo pudo simular cómo el líquido viaja a través de espacios de diferentes tamaños, similares a los pliegues del cerebro o los poros de una esponja.

"Siguiendo con la idea del cerebro como una esponja, también lo pensamos como una esponja sucia: ¿cómo se limpia una esponja sucia?", preguntó Costanzo. "Se la coloca bajo un grifo y se la exprime. En nuestras simulaciones, pudimos comprender cómo el movimiento del cerebro, provocado por una contracción abdominal, puede ayudar a inducir el flujo de líquido sobre el cerebro para ayudar a eliminar productos de desecho".

Implicaciones para la salud cerebral y la prevención de enfermedades

Drew destacó que se necesita más investigación para determinar cómo se aplican estos hallazgos a los humanos. Sin embargo, los resultados sugieren que el movimiento diario puede ayudar a circular el líquido cefalorraquídeo a través del cerebro, facilitando la eliminación de desechos y posiblemente reduciendo el riesgo de enfermedades neurodegenerativas vinculadas a la acumulación de desechos.

"Este tipo de movimiento es tan pequeño. Es lo que se genera cuando caminas o simplemente contraes los músculos abdominales, que haces al participar en cualquier comportamiento físico. Podría marcar una gran diferencia para la salud de tu cerebro", concluyó Drew.

Equipo de investigación y financiación

Los coautores incluyen a C. Spencer Garborg, investigador postdoctoral en el laboratorio de Drew; Beatrice Ghitti, quien fue investigadora postdoctoral supervisada por Costanzo y Drew en el momento de la investigación y ahora es investigadora en la Universidad de Auckland; Qingguang Zhang, quien fue profesor asistente de investigación en el laboratorio de Drew y ahora es profesor asistente de fisiología en la Universidad Estatal de Michigan; Joseph M. Ricotta, investigador postdoctoral en el laboratorio de Drew; Noah Frank, quien obtuvo su licenciatura en ingeniería mecánica de Penn State; Sara J. Mueller, quien lideró el Centro de Imágenes Cuantitativas de Penn State en el momento de la investigación y ahora es directora ejecutiva de la Academia de Liderazgo de Vida Silvestre; Denver L. Greenawalt y Hyunseok Lee, estudiantes de posgrado en Penn State; Kevin L. Turner y Ravi T. Kedarasetti, quienes obtuvieron sus doctorados en Penn State bajo la supervisión conjunta de Drew y Costanzo; y Marceline Mostafa, una estudiante de pregrado que obtuvo un título en biología. La imagen de microtomografía computarizada para este proyecto se realizó en el Centro de Imágenes Cuantitativas de Penn State, una instalación de investigación central del Instituto de Energía y Medio Ambiente.

Los Institutos Nacionales de Salud, el Departamento de Salud de Pensilvania y la Asociación Americana del Corazón apoyaron esta investigación.