Среднее время прочтения — 5 мин.

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

Часть мозга свиньи: нейроны (зеленые) и астроциты (красные), распавшиеся через 10 часов после смерти (фото слева) и спасенные перфузионной технологией BrainEx (фото справа). Источник: Стефано Даниэль и Звонимир Врселя, Sestan Lab и Йельская школа медицины

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.

Читает Тарасов Валентин
Podster, Apple Podcasts, YouTube, Скачать, Telegram, VK, Spotify

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