Ученые создали систему, подключение к которой мозга крупных млекопитающих позволяет восстановить отдельные функции органа и сохраняет его структурную целостность. Успешный эксперимент, который длился шесть часов, был проведен со свиными мозгами через четыре часа после смерти.
Технология дает ранее недоступную возможность исследования ряда функций головного мозга на целом изолированном органе. Статья опубликована в журнале Nature. Авторы сообщали о своих экспериментах на собрании этического комитета Национальных институтов здоровья США в апреле 2018 года, но тогда подробности не разглашались.
Головной мозг многих млекопитающих высокочувствителен к отсутствию кислорода. После прекращения циркуляции (перфузии) крови в течение нескольких минут в нем начинается процесс смерти клеток и повреждения нервных волокон. Это, а также образование тромбов в мелких сосудах, мешает изучению функций мозга в динамике ex vivo, на изолированном органе. Замораживание и консервация позволяют лишь статическое исследование.
Ряд наблюдений ставит под вопрос неизбежность смерти нервных клеток в течение минут и даже часов после прекращения кровообращения и говорит в пользу того, что указанные ограничения для исследований потенциально можно обойти.
Так, ученым уже удавалось получить образцы жизнеспособных клеток и тканей как животных, так и человека, а также зафиксировать электрофизиологическую активность спустя длительное время после смерти.
Известно, что митохондрии коры головного мозга человека могут функционировать 10 часов после смерти. Также через час полной ишемии у обезьян удавалось восстановить электрическую активность и работу нейронов. Описан случай полного восстановления функций мозга у человека в условиях пониженной температуры после продолжительной остановки сердца. И, наконец, недавние данные показывают, что удаление тромба в течение 16 часов увеличивает шансы на хороший исход ишемического инсульта.
Группа ученых под руководством Ненада Сестана (Nenad Sestan) из Йельского университета разработала высокотехнологичную систему для защиты изолированного головного мозга от быстрого разрушения, а также раствор для питания мозга и специальные хирургическую процедуру для его выделения. Исследователи показали, что определенные функции мозга могут сохраняться через продолжительное время после смерти и существует как минимум частичная возможность их восстановления.
Система, которую авторы назвали BrainEx (BEx), может поддерживать в головном мозге циркуляцию специального раствора для перфузии, которая сходна по параметрам с физиологической. При помощи аппарата можно проводить перфузию с давлением 20−140 миллиметров ртутного столба, частотой 40−180 ударов в минуту и температурой 3−42 градуса Цельсия. Система снабжена механизмами для обогащения раствора кислородом и очищения от токсинов. Мозг помещается в сферическую камеру, в которой поддерживалась относительная влажность 95 процентов, чтобы орган не пересыхал и не «купался в жидкости». Ученые создали раствор для перфузии на основе гемоглобина, без клеточных элементов. Для облегчения исследований в нее были добавлены эхогенные вещества.
Хирургическая процедура, которую разработали авторы, заключалась в выделении головного мозга и его сосудов на уровне выше продолговатого мозга.
Для экспериментов ученые использовали около трехсот голов свиней в возрасте шести-восьми месяцев, которые они получали с мясоперерабатывающих предприятий. После наладки технологии в исследовании использовались 32 свиных мозга. Ученые выделили четыре экспериментальных группы: перфузия с контрольной жидкостью, перфузия с жидкостью BEx, без перфузии и мозги, исследованные через час после смерти. Мозги подключали к системе BEx через четыре часа после смерти, время наблюдения составляло шесть часов, соответственно, мозг жил 10 часов после смерти.
Исследуя мозг свиньи перед подключением к системе, ученые обнаружили, что специфические клеточные функции сохранены: ткани реагировали на фармакологические и иммунологические пробы, отмечалась спонтанная активность синапсов и активный метаболизм при отсутствии деятельности мозга. Исходя из этого, ученые отметили, что способность восстановления функций мозга крупных млекопитающих при определенных условиях недооценена.
В мозгах, подключенных к системе с раствором для перфузии BEx, сохранялась анатомическая и клеточная структура, сосуды обеспечивали циркуляцию питательного раствора, восстанавливалась функция нейроглии, поддерживались метаболизм тканей и электрическая активность нейронов. Ученые обнаружили, что сохранность клеток и волокон в разных отделах мозга отличалась.
Так, в поле СА1 гиппокампа, особенно чувствительном к отсутствию кислорода, наблюдались признаки вакуолизации, повреждения мембран и цитоплазматического лизиса даже при исследовании через час после смерти. В тканях мозгов, через которые пропускали контрольный раствор, наблюдалось быстрое разрушение.
Ученые указывают, что при помощи внутричерепной электроэнцефалографии не удавалось обнаружить глобальную электрическую активность в головном мозге, что говорит об отсутствии сознания и восприятия.
«Это направление исследований могло бы привести к появлению нового метода посмертного изучения головного мозга. Новая технология открывает возможности изучать сложные взаимодействия клеток и сетей нейронов, которые теряются при других способах сохранения тканей. Также она могла бы стимулировать исследования по разработке методов восстановления мозга после прекращения кровоснабжения мозга, например, при инфаркте миокарда», — сообщила Андреа Бекель-Митченер (Andrea Beckel-Mitchener), лидер проекта Исследование мозга путем продвижения инновационных нейротехнологий (BRAIN Initiative) Национальных институтов здоровья США в пресс-релизе организации.
В выводах ученые пишут, что их технология потенциально может помочь наводить мосты между клиническими исследованиями и теоретической неврологией. Также они отмечают, что новые возможности поднимают новые этические вопросы: требуются четкие стандарты, которые предотвратят вероятность восстановления сознания и других функций головного мозга, поддержание которых может неумышленно вызвать страдание.
Почти все о методах изучения тканей головного мозга ex vivo можно узнать из нашего большого материала «Из головы вон». Также ранее ученые описали гибель нейронов в головном мозге в результате того, что клетки микроглии не справлялись устранением нейронов, которые погибли ранее. В 2017 году врачи рассказали, как смогли частично восстановить сознание человека, который провел 15 лет в вегетативном состоянии, но умолчали о его скорой гибели, не связанной с лечением. Кроме того, нам теперь известна формула хорошей смерти: соблюдение пожеланий умирающего, безболезненность и эмоциональное благополучие.
Андрей Украинский.
Читайте также: Мозг людей уменьшается.
