Эксперимент, восстановивший клеточную функцию в мозге свиней спустя несколько часов после их смерти, может способствовать прогрессу в нейробиологических исследованиях.

Одно из двух юридических определений смерти гласит, что это необратимое прекращение мозговой активности, или «смерть мозга». (Согласно второму определению, смерть — это прекращение дыхания и кровообращения.) Широко распространено мнение, что сразу после смерти клетки мозга необратимо разрушаются. Но в апреле в журнале Nature было опубликовано поразительное исследование. Оно свидетельствует, что даже спустя несколько часов после смерти функционирование мозга может быть в достаточной степени сохранено или восстановлено. Группа исследователей из Йельской школы медицины смогла вернуть часть функций мозга свиней, забитых четырьмя часами ранее, и поддерживать эти функции на протяжении еще шести часов.

Решение провести исследование было обусловлено тем, что клетки можно забрать из уже мертвого мозга и сохранить для исследования клеточных культур. Нейробиолог и руководитель группы Ненад Сестан объяснил на брифинге: «Если мы можем изучать клетки в чашке Петри, то получится ли исследовать в полноценном мозге?». Система, разработанная Сестаном и его коллегами, называется BrainEx и состоит из трех элементов: компьютеризированной системы насосов, фильтров и емкостей; заменителя крови, не содержащего клеток, но способного переносить кислород и компоненты, защищающие клетки; и хирургической операции, которая все это связывает.

Исследователи сравнили мозги, активность которых они поддерживали с помощью BrainEx с теми, в которые была введена инертная жидкость или которые не были подключены к аппарату, оценивающему динамику их состояния. Система уменьшила количество мертвых клеток, сохранила анатомическую целостность и восстановила кровообращение, метаболизм и некоторые клеточные функции. Ученым даже удалось вызвать воспалительные реакции иммунных клеток глии, введя молекулу, которая имитирует бактериальную инфекцию. Результаты показывают, что клетки мозга гораздо более устойчивы к повреждениям, вызванным прекращением кровообращения и, как следствие, к лишению кислорода (ишемии), чем считалось ранее. «Мы не думали, что сможем так хорошо восстановить функции клеток», — поделился Сестан с журналистами.

Эксперимент может поспособствовать созданию нового метода изучения мозга. Исследование спонсировал Национальный институт здравоохранения США в рамках программы BRAIN (англ. Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies — исследование мозга через развитие инновационных нейротехнологий). «Это настоящий прорыв в изучении мозга. Этот новый инструмент убирает разрыв между нейробиологией и клиническими исследованиями, — сказала Андреа Бекель-Митченер, руководитель программы. — Теперь у нас есть доступ к экспериментам, которые не проводились раньше, и мы намерены исследовать процессы обращения жидкостей в мозге, метаболизма клеток и составить схему связей между нейронами».

Недавние открытия могут повлиять на наше представление о смерти мозга. «Ученым и врачам вбито в голову, что спустя пару минут пути назад нет; уже сейчас это можно опровергнуть», — утверждает Маделин Ланкастер, эксперт из Кембриджского университета. Она занимается исследованием органоидов мозга (т.н. мини-мозгов, формирующихся из стволовых клеток) и не участвовала в исследовании. «В краткосрочной перспективе наибольший потенциал состоит в том, чтобы изменить наше представление о смерти и тщательнее изучить людей, находящихся на грани смерти мозга, чтобы понять, как можно вернуть их к жизни». Отсрочка смерти мозга имеет и другие последствия — органы человека будут позже становиться доступными для трансплантации другим, как обсуждалось в комментарии к статье в Nature. Один из плюсов в краткосрочной перспективе — возможность больше узнать об ишемии. «Мы надеемся, что сможем лучше понять, как клетки мозга реагируют на остановку кровообращения, и можем ли мы вмешаться и спасти их, — сообщил Сестан. — В случае успеха мы сможем разработать более эффективные методы лечения инсультов и других заболеваний, ведущих к смерти клеток мозга».

В долгосрочной перспективе эта система может дать возможность тщательно исследовать связи мозга, функции нейронных связей и протекание болезней. Что-то можно узнать уже сейчас, изучив срезы мозга, органоиды и мертвый мозг, но у новой системы как минимум два преимущества. Во-первых, неповрежденный мозг дает уникальную возможность изучить схемы связей между нейронами. «Если ситуация такова, что нужно знать состояние всего органа, то система вроде BRAIN определенно дает преимущество, — поясняет Ланкастер. — Если нейронные связи в какой-то степени функционируют, то взглянуть на неповрежденную систему будет действительно полезно». Во-вторых, изучая мертвый мозг, мы лишь наблюдаем его дискретное состояние в определенный момент, что не дает полной картины о течении болезни. Например, считается, что нейродегенеративные болезни, как Альцгеймер, развиваются, распространяя токсичные белки в мозге. «В этом случае можно попробовать ввести прион-протеин или бета-амилоид и посмотреть, как они будут распространяться, — говорит Ланкастер. — Возможность наблюдения в реальном времени сыграет ключевую роль в понимании болезни».

В работе команда исследователей учитывала этические нормы еще на этапе планирования. Самый главный вопрос — может ли реанимированный мозг проявлять признаки наличия сознания? Ученые намеренно пытались избежать даже отдаленной вероятности возвращения сознания и были готовы понизить температуру и ввести препараты для наркоза, если такие признаки появятся. Они постоянно отслеживали электрические сигналы с поверхности головного мозга. «Я абсолютно уверен, что в реанимированном мозге не было ни намека на сознание», — заявил Кристоф Кох из Института головного мозга им. Аллена в Сиэтле, ведущий исследователь нейробиологии сознания. По его словам, не было ни одного признака, который можно было бы отнести к состоянию сна или сознанию. «Только ровная линия, что значит его полное отсутствие».

Но отсутствие электрических сигналов активности мозга может быть связано с тем, что раствор содержал блокаторы нейронной активности. Исследователи включили их в состав раствора, чтобы максимизировать восстановление клеток. Активному мозгу потребовалось бы гораздо больше энергии, и только само по себе подключение к аппарату могло нанести вред нейронам (этот феномен называется эксайтотоксичность). Исследователи взяли образец ткани и увидели, что отдельные нейроны все еще могли подавать электрические сигналы активности, но для этого при подготовке образцов к записи электрофизиологических показателей обязательно нужно было смыть раствор.

Но что бы случилось, если бы блокаторы не использовались? «Мы не можем быть в чем-то уверены, так как мы не проводили эти эксперименты», — сказал Стефан Даниэль, соавтор исследования. Если в будущем такие эксперименты приблизят мозг к состоянию сознания, это вызовет дискуссии о том, когда можно начинать считать его действительно мертвым. Эти соображения отдельно рассматривается в статье, написанной в соавторстве с биоэтиком Нитой Фарахани, членом рабочей группы по биоэтике в программе BRAIN, которая помогала исследователям на ранней стадии.

Команда также обратилась в Институциональный комитет по уходу и содержанию животных, расположенный в Йеле, и им ответили, что исследования не нарушали законы о защите животных. Очевидно, свиньи были уже мертвы: исследователи получили мозг со скотобойни, специально для исследований свиней не убивали. В любом случае такие законы не относятся к животным, выращенным на убой.

В дальнейшем исследование необходимо повторить в других лабораториях, которым придется вникнуть в тонкости управления системой. Команда хочет установить, как долго можно продержать мозг свиньи в таком состоянии. Стадия, где его заполняли раствором, продлилась только шесть часов: мозги, не подключенные к BrainEx, слишком сильно изменились, и проведение сравнительного анализа стало невозможным.

Если функционирование мозга можно сохранить в течение длительного времени и исследователи вместо восстановления клеток займутся возвращением электрических сигналов активности, они окажутся на нерегулируемой этической территории. «Сначала необходимо ответить на некоторые вопросы, — уверена Фарахани. — Возможно ли в принципе добиться активности на электроэнцефалограмме? Если да, то в какой степени? Какие последствия это будет иметь для исследований животных и людей?». Ответы на эти вопросы могут создать для мертвых тканей отдельную этическую категорию. «Более серьезное восстановление создает другой моральный статус, и, как следствие, наше отношение тоже должно быть другим, — рассуждает Фарахани. — Самый безопасный подход в этой ситуации — действовать в соответствии со схожими законами, которые применимы в экспериментах на животных». Сначала исследования такого рода проводят на грызунах, убирая вещества, блокирующие электрическую активность мозга. Если обнаружится что-то близкое к сознанию, нам понадобятся новые этические законы. «В этот момент нужно думать о подопытном как о живом существе и минимизировать боль и стресс животного, — говорит Фарахани. — Сейчас проблема заключается в том, что ткань, которую мы исследуем, уже не мертва. Но и не жива тоже».

По материалам The Scientific American за авторством Саймона Мэкина

Переводила: Ирина Черняева
Редактировала: Анастасия Железнякова