Science Advances：人工智能揭示大脑如何清除有害废物

在《科学进展》杂志上发表的一项新研究中，研究人员利用人工智能来帮助了解脑脊液在大脑中循环的速度，以清除与阿尔茨海默病等疾病相关的代谢废物。

当人进入深度睡眠时，类似水的液体会在大脑周围循环，冲走与阿尔茨海默病等疾病相关的代谢废物。这一过程被称为脑淋巴系统，最早由神经科学家先驱、罗切斯特大学转化神经医学中心联合主任 迈肯·内德加德于2012年描述。 

但关于该系统的运作机制仍存在疑问——尤其是脑脊液在大脑中的循环速度。在不给受试者造成不可逆转的伤害的情况下研究活体大脑内的循环非常困难。

“你可以用显微镜观察大脑的一小块区域，非常详细地了解那里发生的情况，我们过去也处理过这类数据，但这只是整个过程的冰山一角，”罗切斯特大学机械工程系的道格拉斯·凯利教授说道。“如果你想对整个大脑进行成像，核磁共振成像（MRI）是一个很好的方法，因为它能提供三维图像。但MRI也有严重的局限性，其中最大的局限性是它无法捕捉流体的流速，至少对于如此缓慢的流速来说是这样。”

凯利及其来自罗切斯特大学、布朗大学和哥本哈根大学的同事们借助人工智能的力量，在《科学进展》杂志上发表了一项新研究。他们详细阐述了如何利用基于物理学原理的人工智能，从磁共振成像（MRI）数据中确定流体流动速度。研究人员利用染料随时间推移在脑组织中扩散的视频，构建了神经网络，从而能够推断出流体的流动速度和脑组织的渗透性。

研究结果表明，脑淋巴系统清除大脑中颗粒物（例如与阿尔茨海默病相关的β-淀粉样蛋白）主要有两种方式，其中一种方式比另一种快得多。脑淋巴系统中类似水的液体以每秒几微米的速度快速流动，环绕大脑的开放区域，例如颅骨与大脑之间的表面；而这种类似水的液体则以大约慢50倍的速度缓慢渗过大脑深层组织。

目前，研究人员正致力于获取小鼠等动物脑内液体流动的基线测量数据，以用于人工智能工具的开发。未来，他们希望能够比较健康大脑和患病大脑以及年轻大脑和老年大脑的液体流动情况，并最终研究人类的脑循环。

“我们正努力研究如何测量人脑内外类水液体的流动情况，因为一旦掌握了这项技术，其临床应用将变得更加重要和令人振奋，”凯利说道。“我们希望有朝一日能够检测出阿尔茨海默病患者的脑部血液循环是否不良，甚至在更早的时期进行血液循环筛查，以预防阿尔茨海默病的发生。或者，我们也可以检查脑震荡患者的脑部液体循环是否受到影响。这项研究让我们离目标更近了一步。”