http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=bca994be-7f9b-4766-860a-0f4e1fc23db3&print=1© 2024 Российская академия наук
Какие горизонты открывает перед человечеством управляемая гибернация
Ученым впервые удалось заставить впасть в спячку организмы, которых природа этому не учила. Можно ли проделать то же самое с человеком? О том, где находится центр сознания и как его отключить, а также защищает ли сон от коронавируса, «Огоньку» рассказал ведущий российский cомнолог, член американского и европейского научных обществ по изучению сна, главный научный сотрудник Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН Владимир Ковальзон.
— Владимир Матвеевич, расскажите, пожалуйста, поподробнее об открытии японских ученых. Почему оно наделало столько шума?
— Это потрясающее событие, которое открывает перед учеными сразу несколько горизонтов. Впервые в мире удалось ввести в состояние гибернации (так называют зимнюю спячку на языке науки.— «О») сначала мышей, а потом крыс — виды, которые эволюционно к спячке не подготовлены и у которых, как считалось ранее, для этого нет специального генетического аппарата.
Это означает, что сняты принципиальные ограничения для введения в состояние гибернации и человека. Работу сделала очень известная японская научная группа из Университета Цукубы и Центра исследований динамики биосистем Японской академии наук (RIKEN), включавшая двух приглашенных ученых из Австралии. Все они занимаются темой гибернации много лет, и их работа имеет не только научную, но и практическую направленность.
— Какую именно?
— Гибернацию можно будет использовать во время тяжелых операций. Известно, что сегодня при некоторых хирургических вмешательствах человека погружают в состояние гипотермии, когда температура тела снижается до 35 градусов, замедляется обмен веществ и уменьшается потребность в кислороде.
Возникает вопрос, а можно ли погрузить человека в состояние еще более глубокой «отключки», когда внутренние органы едва работают, когда нет кровотечений? Ведь тогда человека можно оперировать вообще без наркоза!
Другое направление, где гибернация очень перспективна, связно с освоением космоса. Сейчас уже всем понятно, что открытый космос совершенно несовместим с человеческой жизнью. Полет на Луну, видимо, единственный маршрут, который возможно осуществить без серьезного риска для здоровья. Но как же тогда быть с полетом на Марс? Есть предположение, что долететь туда можно как раз в состоянии гибернации. Эта тема сегодня регулярно всплывает в научных обсуждениях, хотя и возникла довольно давно.
Скажем, в XX веке во время ядерного противостояния параллельно в нескольких странах ученые проводили опыты, подвергая воздействию радиации животных в состоянии спячки. В основном в экспериментах участвовали суслики, потому что они впадают в это состояние легче других. Результаты были потрясающие: оказалось, что животные не только выдерживали смертельные дозы радиации, но и не имели заметных последствий для организма. Например, у них не образовывались так называемые свободные радикалы — агрессивные молекулы, повреждающие ДНК. Сейчас такие работы тоже проводятся, но в основном это закрытые исследования. Мы не знаем, какие еще успехи достигнуты в этом направлении, потому что судим о них по отрывочным публикациям. В России интересные эксперименты продолжаются в Пущино, в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН.
— А каким образом ученым удалось ввести мышей и крыс в спячку, если в их организме нет заложенных для этого механизмов?
— Этому предшествовало открытие японскими учеными в мозге мышей неизвестной ранее группы нейронов. Оказалось, что если ее стимулировать лазером, то животные будут впадать в состояние гибернации. Важно, что в природе мыши в спячку не впадают, правда, они могут погружаться в особое состояние, которое называется торпор. Почему это происходит, мы не знаем, но иногда в нормальных условиях, когда у животных есть корм и вокруг обычная температура, они вдруг замирают, у них снижается температура тела с 37 до 24 градусов, а потом через несколько часов спонтанно поднимается обратно.
— Так, может, это и был торпор, а вовсе не спячка?
— Нет, речь идет о показателях, которые соответствуют глубокой гибернации. Это легко понять, наблюдая за показателями обмена веществ, за температурой, частотой сердечных сокращений и так далее. Так что это действительно произошло впервые. До сих пор считалось, что, если погрузить в спячку неадаптированный для этого организм, в том числе человеческий, он просто погибнет. Но, как оказалось, с мышами этого не произошло: через несколько дней животных «разбудили», и они оказались в полном порядке, никакие функции в организме не пострадали.
Потом японские ученые провели то же самое исследование на крысах, которые вообще не впадают ни в торпор, ни в спячку, и получили тот же результат. Оказалось, что, если раздражать эту же группу нейронов, животные погружаются в состояние глубокой спячки.
— В какой части мозга находятся нейроны, которые отвечают за спячку? И можно ли проверить, если ли они у человека?
— Эта группа нейронов расположена в области гипоталамуса, древнейшей части головного мозга, где сосредоточены все центры управления вегетативными функциями организма: центр управления температурой тела, центр голода, жажды, сна, бодрствования, активности, покоя и стресса. Для этого открытия японские ученые проделали огромную работу, связанную с новейшими методами оптогенетики и фармакогенетики. Сначала они создали особую генномодифицированную линию мышей, у которых определенные нейроны головного мозга чувствительны к сигналу лазера с разной длиной волны. Так, при раздражении нейронов зеленым лазером, у животных активировалась нужная группа нейронов, а при раздражении желтым — их работа тормозилась. То есть они могли манипулировать данным состоянием. При этом надо понимать, насколько это тонкая работа: речь идет о крохотном участке мозга, который нужно было простимулировать, не задев близлежащие области.
Понятно, что провести такие эксперименты на человеке невозможно, и единственный метод проверить, есть ли такие нейроны у нас, связан с работой на приматах. Но по ряду причин это очень сложно. Хотя бы потому, что получить линию ГМО-мышей физически намного проще и быстрее, новое поколение получается буквально через несколько месяцев, а делать что-то подобное с приматами долго и дорого.
Другое дело, если в итоге японским ученым удастся обнаружить и выделить некий пептид, белок, который вырабатывается в ответ на раздражение нейронов и который отвечает за спячку. Вот это дает шанс на опыты на приматах. Думаю, первыми их сделают японцы или китайцы, потому что там пока нет столь сильного влияния «зеленых», которые связывают ученым руки в США и в Европе.
— А в России?
— Пока мы можем работать с разными животными довольно спокойно. Сотрудники нашего института, например, проводят исследования как в России, так и на биостанции во Вьетнаме. Но мы не можем конкурировать с японцами в плане оборудования и методической части. У нас такие методы может применить буквально одна, может быть, две лаборатории во всей стране. Надо понимать, что японская группа, которая проделала эти исследования, обладала фактически неограниченным ресурсом.
— Чем с точки зрения мозга спячка отличается от просто глубокого сна?
— Гибернация к глубокому сну не имеет никакого отношения. Это совершенно разные физиологические процессы. Начнем с того, что механизмы гибернации изучены очень плохо. Например, известно, что феномен спячки проявляется у многих животных одинаково, но при этом механизмы его могут быть очень разные, могут даже задействоваться совершенно разные гены.
Лучше других в этом плане изучены суслики, которые, как я говорил, легко впадают в спячку. Для этого их достаточно поместить в холодильник и оставить без еды.
Есть так называемые факультативно гибернирующие виды, например, хомячки, они иногда впадают в спячку, а иногда нет. Мы проводили эксперименты и до сих пор так и не поняли, почему в совершенно одинаковых условиях одни животные продолжают нормально бодрствовать, а другие впадают в состояние гибернации.
Да и само это состояние неоднородно. Если говорить о грызунах, то погружение начинается с обычного сна: мы фиксируем смену фаз, но постепенно сон становится все глубже и глубже, затем циклы сна исчезают, остается лишь медленный сон, а потом пропадает и он.
Электроэнцефалограмма, которая отражает активность мозга, исчезает, замедляются дыхание и пульс, температура тела, например, у хомячка падает с 36 до 8 градусов. По сути это состояние обратимой смерти. При этом животные-гибернаторы не находятся в спячке непрерывно. Спячка — состояние циклическое, оно состоит из отдельных периодов, разделенных бодрствованием и называемых баутами. Время от времени гибернаторы вдруг «оживают». При этом сначала у них включаются согревательные механизмы — тело сотрясает крупная дрожь, на что уходит около 90 процентов всей энергии организма. И если животное не накопило достаточное количество жира, оно весной не сможет вернуться к жизни. Когда суслик разогревает свое тело до 24–26 градусов, у него появляются ритмы электрической активности головного мозга, мозг начинает оживать, а когда температура достигает 36 градусов, наступают нормальные периоды сна, и через сон животное выходит в бодрое состояние. Какое-то время оно может передвигаться по норе, а потом так же спонтанно вновь впадает в состояние гибернации. Зимой гибернаторы проходят через десятки баутов спячки.
Интересно, что у некоторых видов сусликов, которые живут за Полярным кругом, во время спячки происходит поистине грандиозная перестройка организма: температура тела опускается ниже нуля и кровь в этот момент заменяется веществом, подобным глицерину, почти полностью останавливают работу внутренние органы и мозг. А весной все приходит в норму и даже тромбы нигде не образуются!
До сих пор считалось, что организм может восстановиться только в случае, если у него есть для этого эволюционно отработанный механизм. Думали, что организм человека во время операции возможно охладить без последствий до температуры не ниже 34 градусов, потому что у нас нет механизмов, позволяющих «воскресать» после глубокого охлаждения. Но если мы действительно нашли в мозге систему, которая позволяла бы делать это, мы бы получили настоящий научный прорыв.
— Вы считаете, это возможно?
— Ничего определенного сказать нельзя, все-таки человек отличается от мышей очень сильно. До тех пор, пока подобные работы не будут проведены на приматах, говорить об этом рано, ведь в нашем случае речь идет о более крупном организме и совсем о другом мозге.
— Но впадает же в спячку медведь, а он намного крупнее суслика.
— Это совсем другой разговор. Дело в том, что у медведей нет гибернации, как у сурков, сусликов, летучих мышей или ежей. Зимой медведь находится в состоянии глубокого сна, у него сменяются нормальные фазы сна, он переворачивается с бока на бок, сосет лапу. Поэтому медведя, в отличие от перечисленных животных, могут разбудить громкие звуки, например, звук пролетающего вертолета, шум трактора, лай собак или выстрелы охотников. Проснувшийся голодный и злой медведь выберется из берлоги и будет бродить по лес. А если вы достанете в состоянии спячки суслика, то он будет казаться мертвым.
— Это похоже на состояние, в котором оказывается организм под наркозом или во время комы?
— Нет, не похоже. А вот общая анестезия с комой между собой как раз близки. Во время глубокой анестезии выключается целая серия мозговых систем, которая обеспечивает работу самого главного центра нашего организма — центра сознания. Этот центр в мозге был открыт совсем недавно и сегодня очень пристально изучается. Особенно важные открытия сделаны буквально за последнее десятилетие в Гарвардской медицинской школе (Центр изучения мозга) в Бостоне.
Речь об открытиях, связанных с так называемой ретикулярной активирующей системой мозга, которая обеспечивает состояние бодрствования. Не так давно было выяснено, что буквально в геометрическом центре головного мозга есть очень маленькое образование, объемом всего 2 кубических миллиметра, которое отвечает за наше сознание. Если, предположим, после аварии человек впал в кому и у него разрушен этот центр, он никогда не придет в сознание, даже если весь остальной мозг и весь организм в полном порядке. Поэтому эту часть мозга называют «кома-центр».
— Анестезия отключает этот важный центр?
— Да, поэтому сейчас стараются все чаще проводить хирургические вмешательства под эпидуральной спинномозговой анестезией, когда обездвиживают только нижнюю часть тела. Но во время состояния гибернации кома-центр мозга, похоже, не затрагивается. Там работают, видимо, другие механизмы.
— Если при гибернации замедляется обмен веществ, значит ли это, что такие методы можно использовать для остановки старения? Есть ли такие работы?
— Этот вопрос пока не исследован. Дело в том, что есть люди, спящие много, и люди, спящие мало. Это обусловлено целым рядом генетических мутаций, генетическим полиморфизмом человеческой популяции. Например, большинство людей спят по пять циклов за ночь (каждый цикл сна длится полтора часа и включает фазу медленного и фазу быстрого сна.— «О»), что составляет около 8 часов. Но кому-то этого мало. Мне, например, чтобы выспаться, нужно шесть циклов. А кому-то достаточно и четырех.
В сомнологии считается, что, для того чтобы долго жить, нужно обязательно высыпаться. В советское время это подтверждалось опросами долгожителей на Кавказе, которые, как правило, рассказывали, что спали всю жизнь сколько хотели.
Затем, уже в нашем веке, стали проводить генетические исследования на мухах-дрозофилах. Генетики вырастили генетически мутировавших мух «долгоспящих» и «короткоспящих». Оказалось, что те, кто спал меньше, жили на треть меньше. Но когда такой эксперимент провели с мышами, эффект подтвердить не удалось. Так что до сих пор этот вопрос остается не ясным.
— Но никто не будет спорить, что спать полезно для здоровья, поскольку сон напрямую связан с работой иммунитета.
— Безусловно, когда мы плохо высыпаемся, иммунная система работает со сбоями. И сейчас, в эпидемию коронавируса, получено много данных, которые подтверждают, что для формирования иммунитета и адекватной борьбы с вирусом важен медленный сон, который у нас происходит в первую половину ночи.
— Есть ли какие-то научные способы его наладить? А то во время пандемии сон у многих как раз нарушился… Может, какое-то идеальное снотворное?
— Идеальное снотворное, которое было бы абсолютно безвредно, до сих пор не создано, хотя перепробованы сотни веществ. Гормон мелатонин, который сейчас многие принимают, считается безвредным, но он помогает только в том случае, если нарушен биологический ритм сна, скажем, при переезде в другой часовой пояс, при перелетах или сменной работе. Можно порекомендовать какой-нибудь успокоительный чай, который поможет именно вам.
Конечно, нужно соблюдать элементарные правила гигиены сна: ложиться и вставать в одно и то же время, спать только в абсолютной темной комнате, чтобы никто рядом не читал книгу при настолько лампе или не сидел в компьютере. В противном случае свет проникает через закрытые веки и у вас не вырабатывается нормально ночной гормон мелатонин. Важно, чтобы комната была прохладной, а подушка — удобной. Общеизвестен факт: перед сном не нужно возбуждать нервную систему, например, не смотреть эмоционально окрашенных телепередач и не вести раздражающих телефонных разговоров.