Ученые из Парижского института мозга провели новаторское исследование процессов, происходящих в мозге при переходе от жизни к смерти, в частности сфокусировавшись на явлении, называемом «волна смерти». Исследование, опубликованное в журнале Neurobiology of Disease, показывает, что окончательное прекращение активности мозга сопровождается резкой волной деполяризации нейронов, что потенциально может стать основой для принятия мер в случаях острой черепно-мозговой травмы и остановки дыхания.
Понимание реакции мозга на резкое кислородное голодание уже давно является предметом интенсивных исследований, в первую очередь из-за ее последствий для лечения таких состояний, как инсульт, остановка сердца и другие формы черепно-мозговых травм. Предыдущие исследования показали, что когда мозг приближается к смерти, он не просто отключается, а претерпевает ряд сложных биохимических и электрических изменений.
Этот процесс включает в себя резкое прекращение подачи кислорода, что приводит к быстрому истощению аденозинтрифосфата (АТФ), основного источника энергии клетки. Этот энергетический кризис запускает каскад неврологических событий, начиная с нарушения электрического баланса мозга и массивного выброса глутамата, нейротрансмиттера, который усугубляет повреждение нейронов.
В более ранних исследованиях также наблюдался загадочный всплеск активности мозга после первоначального отключения, включая повышение частоты специфических мозговых волн, таких как гамма- и бета-волны, которые обычно ассоциируются с сознанием. Этот всплеск, возможно, связан с переживаниями, близкими к смерти, о которых сообщают люди, пережившие остановку сердца. Эти интригующие наблюдения подчеркнули сложность определения смерти мозга и управления процессом восстановления после черепно-мозговых травм.
Однако, несмотря на эти достижения, критические пробелы остаются. В частности, остается неясным точное происхождение и характер распространения терминальной волны деполяризации нейронов - так называемой «волны смерти». Хотя предыдущие исследования указывали на то, что при быстром вмешательстве эту волну можно обратить вспять, конкретные области мозга, наиболее подверженные длительному повреждению в ходе этого процесса, не были точно определены.
В своем новом исследовании ученые провели эксперименты на крысах в строго контролируемых условиях, чтобы смоделировать условия аноксии и последующей реоксигенации. Для этого регулировался уровень кислорода в крови крыс и отслеживались некоторые физиологические параметры, такие как частота сердечных сокращений и электрическая активность мозга.
Исследователи обнаружили, что вначале, когда мозг входит в состояние аноксемии, наблюдается однородный уровень активности нейронов в различных слоях коры. Однако затем происходит критический переход с появлением «волны смерти», начинающейся в первую очередь с пирамидальных нейронов в слое 5 неокортекса, одного из шести слоев, составляющих кору головного мозга.
«Это критическое событие, называемое аноксической деполяризацией, вызывает гибель нейронов во всей коре. Подобно лебединой песне, она является истинным маркером перехода к прекращению всей мозговой активности", - объясняет Антуан Картон-Леклерк, аспирант и первый автор исследования.
Эта волна распространяется двунаправленно: вверх к поверхности мозга и вниз в более глубокие области белого вещества. Это открытие имеет огромное значение, поскольку оно указывает на происхождение волны в определенном типе нейронов в точном месте мозга, что ранее было непонятно.
«Мы заметили, что активность нейронов была относительно однородной в начале аноксии мозга. Затем волна смерти возникала в пирамидальных нейронах, расположенных в слое 5 неокортекса, и распространялась в двух направлениях: вверх, то есть на поверхность мозга, и вниз, то есть в белое вещество", - говорит соавтор исследования Северин Махон, исследователь в области нейронаук. «Мы наблюдали такую же динамику в различных экспериментальных условиях и считаем, что она может существовать у людей».
Такая картина распространения свидетельствует о структурированной уязвимости слоев коры головного мозга, причем более глубокие слои демонстрируют большую восприимчивость к кислородному голоданию. Такая уязвимость, вероятно, связана с высокими метаболическими потребностями пирамидальных нейронов в слое 5, которые требуют больше энергии для функционирования и поэтому более подвержены повреждениям, когда запасы энергии (АТФ) иссякают.
Исследователи также отметили, что эта активность нейронов в конечном итоге привела к состоянию полной электрической тишины, означающей прекращение всей обнаруживаемой активности мозга, которая была ненадолго прервана волной смерти - критическим маркером необратимого прекращения функции мозга.
Кроме того, исследование пролило свет на потенциальную обратимость этой катастрофической волны при определенных условиях. Когда исследователи вновь ввели кислород в мозг вскоре после обнаружения волны аноксической деполяризации, они наблюдали восполнение уровня АТФ, что привело к реполяризации нейронов и восстановлению синаптической активности.
Этот вывод особенно важен, поскольку позволяет предположить, что своевременное медицинское вмешательство может потенциально восстановить функцию мозга у людей после подобных эпизодов кислородного голодания, например, во время остановки сердца или дыхания.
Однако в нескольких случаях (3 из 49) процесс реанимации не привел к восстановлению нормальной активности мозга. В этих случаях отсутствие восстановления мозговой активности быстро приводило к остановке сердца. Это говорит о том, что существует критическое окно, в котором необходимо восстановить кислород для обеспечения выздоровления; если реанимация происходит слишком поздно или неэффективна, электрические нарушения в мозге, вызванные первоначальным лишением кислорода, могут стать необратимыми и привести к отказу других жизненно важных систем, таких как сердце.
«Это новое исследование углубляет наше понимание нейронных механизмов, лежащих в основе изменений активности мозга по мере приближения смерти. Теперь установлено, что с физиологической точки зрения смерть - это процесс, который занимает свое время... и что в настоящее время невозможно строго отделить ее от жизни. Мы также знаем, что ровная ЭЭГ не обязательно означает окончательное прекращение функций мозга", - заключил Стефан Шарпье, руководитель исследовательской группы. «Теперь нам необходимо установить точные условия, при которых эти функции могут быть восстановлены, и разработать нейропротекторные препараты для поддержки реанимации при сердечной и легочной недостаточности».
Авторами исследования «Ламинарная организация неокортикальной деятельности во время системной аноксии» стали Антуан Картон-Леклерк, София Каррион-Фальгарона, Поль Боден, Пьер Лемер, Сара Лекас, Томас Топилко, Стефан Шарпье и Северин Махон.