1D Simulations for understanding biphasic blood flow in simple capillary occlusions

Abstract

[ES] En el complejo ámbito de la salud cerebral, los microinfartos corticales, relacionados con afecciones como la angiopatía amiloide cerebral y la demencia, plantean un reto de detección dentro de las redes capilares del cerebro. Los microinfartos cerebrales, causantes de estos microinfartos en pequeños vasos cerebrales, elevan el riesgo de demencia, superando a los accidentes cerebrovasculares mayores. El almacenamiento limitado de energía en el cerebro acentúa la necesidad crítica de un suministro continuo de oxígeno y nutrientes para prevenir daños locales. Los microinfartos, incluso a nivel vascular, pueden provocar lesiones en el tejido cortical, lo que subraya la necesidad de comprender su papel en la dinámica del suministro sanguíneo local. Mientras navegamos por el intrincado reino de las complejidades cerebrales, nos adentramos en el ámbito, a menudo pasado por alto, de los microinfartos y su influencia en el flujo sanguíneo cerebral. Mediante simulaciones en redes microvasculares realistas de la corteza del ratón, nuestra investigación pretende analizar meticulosamente los efectos de las obstrucciones de un solo capilar.

Para ello, empleamos un enfoque de simulación 1D, abordando un problema inverso mediante el método de optimización Adjoint. El método Adjoint nos permite converger a un mínimo local de la función de coste empleada. Utilizando mediciones experimentales de las velocidades de los glóbulos rojos en varios capilares, tanto en condiciones sanas como de bloqueo capilar y 2 horas y 24 horas después de un micro-ictus, ajustamos el contorno de presión para lograr velocidades consistentes en las simulaciones que se alineen con las observadas en las mediciones experimentales.

[EN] In the complex realm of brain health, cortical microinfarcts, tied to conditions like cerebral amyloid angiopathy and dementia, pose a detection challenge within the brain's capillary networks. Microstrokes, causing these microinfarcts in small brain vessels, elevate dementia risk, surpassing major strokes. Limited brain energy storage emphasizes the critical need for a continuous oxygen and nutrient supply to prevent local damage. Microinfarcts, even at the vessel level, can lead to cortical tissue lesions, emphasizing the need to grasp their role in local blood supply dynamics.As we navigate the intricate realm of cerebral complexities, we delve into the often-overlooked domain of microstrokes and their influence on brain blood flow. Through simulations in realistic microvascular networks from the mouse cortex, our research aims to meticulously analyze the effects of single-capillary blockages.

To do so, we employ a 1D simulation approach, tackling an inverse problem using the Adjoint optimization method. The Adjoint method allows us to converge to a local minimum of the employed cost function. Using experimental measurements of red blood cell velocities in various capillaries, both in healthy and capillary-locked conditions and 2 hours and 24 hours after a micro-stroke, we adjust the pressure contour to achieve consistent velocities in the simulations that align with those observed in the experimental measurements.