Експеримент, який відновив клітинну функцію в мозку свиней через кілька годин після їх смерті, може сприяти прогресу в нейробіологічних дослідженнях.
Одне з двох юридичних визначень смерті свідчить, що це необоротне припинення мозкової активності, або «смерть мозку». (Згідно з другим визначенням, смерть — це припинення дихання та кровообігу.) Широко поширена думка, що відразу після смерті клітини мозку необоротно руйнуються. Але в квітні в журналі Nature було опубліковано вражаюче дослідження.
Воно свідчить, що навіть через кілька годин після смерті функціонування мозку може бути достатньою мірою збережено або відновлено. Група дослідників з Єльської школи медицини змогла повернути частину функцій мозку свиней, забитих чотирма годинами раніше, і підтримувати ці функції протягом ще шести годин.
Частина мозку свині: нейрони (зелені) і астроцити (червоні), розпалося через 10 годин після смерті (фото зліва) і врятовані перфузійної технологією BrainEx (фото праворуч). Джерело: Стефано Даніель і Звонімір Врселя, Sestan Lab і Йельская школа медицини
Рішення провести дослідження було обумовлено тим, що клітини можна забрати з вже мертвого мозку і зберегти для дослідження клітинних культур. Нейробіолог і керівник групи Ненад Сестан пояснив на брифінгу: «Якщо ми можемо вивчати клітини в чашці Петрі, то вийде досліджувати в повноцінному мозку?». Система, розроблена Сестаном і його колегами, називається BrainEx і складається з трьох елементів: комп’ютеризованої системи насосів, фільтрів і ємностей; замінника крові, не містить клітин, але здатного переносити кисень і компоненти, що захищають клітини; і хірургічної операції, яка все це пов’язує.
Дослідники порівняли мізки, активність яких вони підтримували за допомогою BrainEx з тими, у які була введена інертна рідина або які не були підключені до апарату, оценивающему динаміку їх стану. Система зменшила кількість мертвих клітин, зберегла анатомічну цілісність і відновила кровообіг, метаболізм і деякі клітинні функції. Вченим навіть вдалося викликати запальні реакції імунних клітин глії, ввівши молекулу, яка імітує бактеріальну інфекцію. Результати показують, що клітини мозку набагато більш стійкі до пошкоджень, викликаних припиненням кровообігу і, як наслідок, до позбавлення кисню (ішемії), ніж вважалося раніше. «Ми не думали, що зможемо так добре відновити функції клітин», — поділився Сестан з журналістами.
Експеримент може посприяти створенню нового методу вивчення мозку. Дослідження спонсорував Національний інститут охорони здоров’я США в рамках програми BRAIN (англ. Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies — дослідження мозку через розвиток інноваційних нейротехнологій). «Це справжній прорив у вивченні мозку. Цей новий інструмент усуває розрив між нейробіологією і клінічними дослідженнями, — сказала Андреа Бекель-Мітченер, керівник програми. — Тепер у нас є доступ до експериментів, які проводилися раніше, і ми маємо намір дослідити процеси обігу рідин в мозку, метаболізму клітин і скласти схему зв’язків між нейронами».
Недавні відкриття можуть вплинути на наше уявлення про смерть мозку. «Вченим і лікарям вбито в голову, що через пару хвилин шляху назад немає; уже зараз це можна спростувати», — стверджує Маделін Ланкастер, експерт з Кембриджського університету. Вона займається дослідженням органоїдів мозку (т. зв. міні-мізків, що формуються зі стовбурових клітин) і не брала участі в дослідженні. «У короткостроковій перспективі найбільший потенціал полягає в тому, щоб змінити наше уявлення про смерть і ретельніше вивчити людей, що перебувають на межі смерті мозку, щоб зрозуміти, як можна повернути їх до життя».
Відстрочення смерті мозку має й інші наслідки — органи людини будуть пізніше ставати доступними для трансплантації іншим, як обговорювалося в коментарі до статті в Nature. Один з плюсів у короткостроковій перспективі — можливість більше дізнатися про ішемії. «Ми сподіваємося, що зможемо краще зрозуміти, як клітини мозку реагують на зупинку кровообігу, і ми можемо втрутитися і врятувати їх, — повідомив Сестан. — У разі успіху ми зможемо розробити більш ефективні методи лікування інсультів і інших захворювань, що ведуть до смерті клітин мозку».
У довгостроковій перспективі ця система може дати можливість ретельно досліджувати зв’язку мозку, функції нейронних зв’язків і перебіг хвороб. Що-то можна дізнатися вже зараз, вивчивши зрізи мозку, всіх органел і мертвий мозок, але у нової системи як мінімум дві переваги. По-перше, непошкоджений мозок дає унікальну можливість вивчити схеми зв’язків між нейронами. «Якщо ситуація така, що потрібно знати стан всього органу, то система зразок BRAIN виразно дає перевагу, — пояснює Ланкастер. — Якщо нейронні зв’язки в якійсь мірі функціонують, то поглянути на неушкоджену систему буде дійсно корисно».
По-друге, вивчаючи мертвий мозок, ми лише спостерігаємо його дискретне стан у певний момент, що не дає повної картини про перебіг хвороби. Наприклад, вважається, що нейродегенеративні хвороби, як Альцгеймер, розвиваються, поширюючи токсичні білки в мозку. «В цьому випадку можна спробувати ввести пріон-протеїн або бета-амілоїд і подивитися, як вони будуть поширюватися, — каже Ланкастер. — Можливість спостереження в реальному часі зіграє ключову роль у розумінні хвороби».
В роботі команда дослідників враховувала етичні норми ще на етапі планування. Найголовніше питання — чи може реанімований мозок проявляти ознаки наявності свідомості? Вчені навмисно намагалися уникнути навіть віддаленої ймовірності повернення свідомості і були готові знизити температуру і ввести препарати для наркозу, якщо такі ознаки з’являться. Вони постійно відстежували електричні сигнали з поверхні головного мозку. «Я абсолютно впевнений, що в реанімований мозку не було ні натяку на свідомість», — заявив Крістоф Кох з Інституту головного мозку їм. Аллена в Сіетлі, провідний дослідник нейробіології свідомості. За його словами, не було жодної ознаки, який можна було б віднести до стану сну або свідомості. «Тільки рівна лінія, що означає його повну відсутність».
Але відсутність електричних сигналів активності мозку може бути пов’язано з тим, що розчин містив блокатори нейронної активності. Дослідники включили їх до складу розчину, щоб максимізувати відновлення клітин. Активному мозку знадобилося б набагато більше енергії, і тільки саме по собі підключення до апарату могло завдати шкоди нейронів (цей феномен називається эксайтотоксичность). Дослідники взяли зразок тканини і побачили окремі нейрони все ще могли подавати електричні сигнали активності, але для цього при підготовці зразків до запису електрофізіологічних показників обов’язково потрібно було змити розчин.
Але що б сталося, якби блокатори не використовувалися? «Ми не можемо бути в чомусь упевнені, так як ми не проводили ці експерименти», — сказав Стефан Даніель, співавтор дослідження. Якщо в майбутньому такі експерименти наблизять мозок до стану свідомості, це викличе дискусії про те, коли можна починати рахувати його дійсно мертвим. Ці міркування окремо розглядається у статті, написаній у співавторстві з биоэтиком Нитой Фарахані, членом робочої групи з біоетики в програмі BRAIN, яка допомагала дослідникам на ранній стадії.
Команда також звернулася до Інституційний комітет з догляду та утримання тварин, розташований в Єлі, і їм відповіли, що дослідження не порушували закони про захист тварин. Очевидно, свині були вже мертві: дослідники отримали мозок зі скотобійні, спеціально для досліджень свиней не вбивали. У будь-якому випадку такі закони не відносяться до тварин, вирощених на забій.
Надалі дослідження необхідно повторити в інших лабораторіях, яким доведеться вникнути в тонкощі управління системою. Команда хоче встановити, як довго можна тримати мозок свині в такому стані. Стадія, де його заповнювали розчином, тривала лише шість годин: мізки, не підключені до BrainEx, занадто сильно змінилися, і проведення порівняльного аналізу стало неможливим.
Якщо функціонування мозку можна зберегти протягом тривалого часу і дослідники замість відновлення клітин займуться поверненням електричних сигналів активності, вони опиняться на нерегульованій етичної території. «Спочатку необхідно відповісти на деякі питання, — впевнена Фарахані. — Чи можливо в принципі домогтися активності на електроенцефалограмі? Якщо так, то якою мірою? Які наслідки це буде мати для досліджень тварин і людей?».
Відповіді на ці питання можуть створити для мертвих тканин окрему етичну категорію. «Більш серйозне відновлення створює інший моральний статус, і, як наслідок, наше ставлення теж має бути іншим, — міркує Фарахані. — Самий безпечний підхід у цій ситуації — діяти у відповідності зі схожими законами, які застосовуються в експериментах на тваринах». Спочатку дослідження такого роду проводять на гризунах, прибираючи речовини, що блокують електричну активність мозку. Якщо виявиться щось близьке до свідомості, нам знадобляться нові етичні закони. «У цей момент потрібно думати про піддослідний як про живу істоту і мінімізувати біль і стрес тварини, — каже Фарахані. — Зараз проблема полягає в тому, що тканина, яку ми досліджуємо, вже не мертва. Але й не жива теж».
Наука і технології