Технология дает ранее недоступные возможности для изучения многих функций мозга на весь изолированный орган. Статья на эту тему была опубликована в журнале Nature. Авторы сообщили о своих экспериментах на заседании комитета по этике Национального института здравоохранения США в апреле 2018 года, однако подробности не разглашаются.
Мозг многих млекопитающих очень чувствителен к недостатку кислорода. После того, как кровообращение (перфузия) прекращается в течение нескольких минут, начинается процесс гибели клеток и повреждения нервных волокон. Это, а также образование тромбов в мелких сосудах нарушает исследование функции мозга в динамике ex vivo на изолированном органе. Замораживание и техническое обслуживание позволяют проводить только статические испытания.
Ряд наблюдений ставит под сомнение неизбежность гибели нервных клеток в течение нескольких минут или даже часов после прекращения кровообращения и предполагает, что этих ограничений исследований можно избежать. Исследователям уже удалось получить образцы живых клеток и тканей как у животных, так и у людей, и записать электрофизиологическую активность еще долго после смерти.
Известно, что митохондрии коры головного мозга человека могут функционировать через десять часов после смерти. Также после часа полной ишемии обезьяны смогли восстановить электрическую активность и функцию нейронов. Описан случай полного восстановления функции мозга у человека в условиях низкой температуры после длительной остановки сердца. Наконец, последние данные показывают, что удаление сгустка крови в течение шестнадцати часов увеличивает шансы на хороший исход ишемического инсульта.
Группа ученых во главе с Ненадом Сестаном из Йельского университета разработала технологически продвинутую систему, которая защищает изолированный мозг от быстрого разрушения, а также решение для питания мозга и специальную хирургическую процедуру для его изоляции. Исследователи показали, что определенные функции мозга могут сохраняться в течение долгого времени после смерти, и существует, по крайней мере, частичный шанс на восстановление.
Система, которую авторы назвали BrainEx (BEx), может поддерживать циркуляцию специального перфузионного раствора в мозге, сходного по физиологическим параметрам. С помощью этого устройства перфузия может проводиться при давлении 20-140 миллиметров ртутного столба с частотой 40-180 ударов в минуту и температурой 3-42 градуса Цельсия.
Система оснащена механизмами обогащения раствора кислородом и очистки токсинов. Мозг помещается в сферическую камеру, в которой поддерживается относительная влажность 95%, так что орган не высыхает, а не «купается в жидкости». Исследователи создали перфузионный раствор на основе гемоглобина без клеточных компонентов. Эхогенные вещества были добавлены к ним для облегчения испытаний. Разработанная авторами хирургическая процедура заключалась в изоляции мозга и его сосудов на уровне выше мозгового слоя.
Исследуя мозг свиньи перед подключением к системе, исследователи обнаружили, что определенные клеточные функции сохраняются. Ткани реагировали на фармакологические и иммунологические тесты, спонтанная синаптическая активность и активный метаболизм наблюдались при отсутствии мозговой активности. Исходя из этого, исследователи отметили, что способность восстанавливать функции мозга крупных млекопитающих при определенных условиях недооценивается.
В мозге, связанном с системой с перфузионным раствором BEx, сохранялась анатомическая и клеточная структура, кровеносные сосуды, обеспечивающие циркуляцию питательного раствора, нейроглифическую функцию, метаболизм тканей и электрическую активность нейронов. Исследователи обнаружили, что поведение клеток и волокон в разных частях мозга было различным.
Таким образом, в области СА1 гиппокампа, которая особенно чувствительна к недостатку кислорода, симптомы вакуолизации, повреждения мембран и цитоплазматического лизиса наблюдались даже во время теста через час после смерти. В ткани мозга, через которую пропускали контрольный раствор, наблюдалось быстрое разрушение.
Исследователи отмечают, что использование внутричерепной электроэнцефалографии не может обнаружить глобальную электрическую активность в головном мозге, что указывает на недостаточную осведомленность и восприятие.
«Это направление исследований может привести к появлению нового метода посмертного обследования. Новая технология открывает возможность изучения сложных взаимодействий клеток и сетей нейронов, которые теряются при других способах сохранения тканей. Это также может стимулировать исследования по разработке методов восстановления мозга после прекращения кровоснабжения мозга, таких как инфаркт миокарда », - сказала Андреа Бекел - Митченер, руководитель исследовательского проекта« Мозг », продвигающего инновационные нейротехнологии (инициатива BRAIN).
В своих выводах исследователи пишут, что их технология потенциально может помочь в наведении мостов между клиническими исследованиями и теоретической нейробиологией. Они также указывают на то, что новые возможности порождают новые этические проблемы, то есть необходимы четкие стандарты, которые предотвращают вероятность выздоровления и других функций мозга, которые могут вызвать непреднамеренные страдания.