Популярная гипотеза о том, как мозг очищается от молекулярных отходов, которая может помочь объяснить, почему сон ощущается как нечто освежающее, является предметом споров. Сохранить статью Прочитать позже
Никто не знает, почему спинномозговая жидкость циркулирует в нашем мозге и вокруг него, или что направляет ее поток.
Введение
Заключённый в череп, расположенный на вершине позвоночника, мозг ведёт тщательно управляемое существование. Он получает только определённые питательные вещества, фильтрующиеся через гематоэнцефалический барьер; его окружает сложная система защитных мембран. Это привилегированное пространство таит в себе тайну. Более века учёные задаются вопросом: если так трудно проникнуть в мозг, как же из него выводятся отходы?
Мозг обладает одним из самых высоких обменных процессов среди всех органов тела, и этот процесс неизбежно приводит к образованию побочных продуктов, которые необходимо удалять. В остальных частях тела кровеносные сосуды окружены системой лимфатических сосудов. Молекулы, отработавшие свой срок в крови, перемещаются в эти заполненные жидкостью трубки и переносятся в лимфатические узлы для переработки. Но у кровеносных сосудов мозга такого выхода нет. Несколько сотен километров этих сосудов, по-видимому, пронизывают эту плотную, активно работающую ткань без соответствующей системы выведения отходов.
Однако кровеносные сосуды мозга окружены открытыми пространствами, заполненными жидкостью. В последние десятилетия спинномозговая жидкость (СМЖ) в этих пространствах привлекает большой интерес. «Возможно, СМЖ может служить своего рода магистралью для движения или обмена различными веществами внутри мозга», — сказал Стивен Проулкс, изучающий систему СМЖ в Бернском университете.
В недавней статье в журнале Cell опубликован новый отчёт о том, что происходит вокруг мозга и в его скрытых полостях. Группа учёных из Рочестерского университета под руководством невролога Майкен Недергаард задались вопросом, может ли медленное движение кровеносных сосудов мозга проталкивать жидкость между клетками, а в некоторых случаях и через них, потенциально запуская систему дренирования. В эксперименте на мышах исследователи вводили светящийся краситель в спинномозговую жидкость, манипулировали стенками кровеносных сосудов, чтобы запустить насосную функцию, и вскоре наблюдали увеличение концентрации красителя в мозге. Они пришли к выводу, что движение кровеносных сосудов может быть достаточным для перемещения спинномозговой жидкости, а возможно, и продуктов жизнедеятельности мозга, на большие расстояния.
Команда сделала ещё один шаг в интерпретации. Поскольку подобное биение, отличное от привычного пульса сердца, регулярно наблюдается во время сна, они предполагают, что их наблюдения, возможно, помогут объяснить, почему сон ощущается бодрящим. Однако не все согласны с обоснованностью этой гипотезы. Что касается определения цели движения жидкости по мозгу, многие исследователи считают, что истина всё ещё не до конца ясна.
Утечка мозгов
В центре мозга находятся заполненные жидкостью полости, подобные огромным цистернам, окутанным тьмой, называемые желудочками. Спинномозговая жидкость просачивается через стенки желудочков и затем перемещается. Под давлением она выходит наружу в других частях черепа, стекает по шее и попадает в позвоночник.
«Глимфатическая гипотеза» невролога Майкен Недергаард предполагает, что спинномозговая жидкость способствует выведению отходов из мозга во время сна. Её доказательства вызывают бурные споры.
Учёным уже более века известно, что в момент смерти спинномозговая жидкость перетекает из позвоночника в головной мозг. Это говорит о том, что живой мозг каким-то образом поддерживает её движение, но никто точно не знает, как и куда она перетекает. Любые стрелки, нарисованные на схемах мозга и черепа для обозначения её движения, не следует воспринимать как абсолютную истину.
«Все признают, что здесь должен быть какой-то кровоток», — сказал Кристер Бетсхольц, профессор сосудистой биологии Каролинского института в Швеции. «Ежедневно в желудочках мозга вырабатывается около полулитра спинномозговой жидкости, и ей нужно куда-то выходить. Вопрос о том, куда девается спинномозговая жидкость, до сих пор не решён».
Также обсуждается вопрос о том, собирает ли система отходы на пути из мозга, и, что особенно важно, как это происходит. Имеются убедительные доказательства того, что, по крайней мере, малые молекулы могут диффундировать через межклеточное пространство, попадать в спинномозговую жидкость и выводить её из мозга. Более того, некоторые исследователи считают, что вся система работает по принципу пассивной диффузии.
В 2012 году результаты исследований в лаборатории Недергаард свидетельствовали о более активном процессе. Недергаард вместе с неврологом Джеффри Илиффом, тогда постдоком в её лаборатории, и их коллегами ввели метку в спинномозговую жидкость и наблюдали её быстрое распространение. Как она перемещалась из одного места в другое? Они предположили, что пространства вокруг кровеносных сосудов сообщаются с ещё более мелкими пространствами в глубине мозга, между отдельными клетками. Они также предположили, что спинномозговая жидкость перемещается в эти пространства через клетки мозга, называемые астроцитами. Там жидкость может отдавать одни молекулы и захватывать другие; затем она может вернуться в пространства вокруг кровеносных сосудов и оттуда выводить отходы из мозга. Всё это должно было бы быть обусловлено потоком неопределённого механизма.
Это была поразительная идея. Недергаард, ведущий автор новой статьи, и её коллеги вскоре сделали её ещё более поразительной, связав её с другой загадкой: почему сон, по-видимому, полезен. В статье 2013 года её команда писала, что у спящих и анестезированных мышей наблюдается более интенсивная циркуляция спинномозговой жидкости, чем у бодрствующих, и что, возможно, во время сна спинномозговая жидкость выводит отходы из мозга. Возможно, это «промывание мозгов», как его описывали в заголовках, может объяснить, почему сон необходим, и насколько лучше мы себя чувствуем после хорошей ночи.
«Я твёрдо убеждён, что восстанавливающая функция сна заключается не в консолидации памяти, — сказал Недергаард. — Возможно, отчасти. Но на самом деле важна именно функция сна как вспомогательного средства».
За годы, прошедшие с момента первых исследований, было опубликовано множество статей, ссылающихся на теорию «дренажа мозга», называемую глимфатической гипотезой. Идея привлекательна, но некоторые её аспекты вызывают опасения у некоторых исследователей, изучающих сосудистую систему мозга.
Алан Веркман, почётный профессор Калифорнийского университета в Сан-Франциско, изучающий движение жидкости в организме, утверждает, что некоторые аспекты этой теории физически неправдоподобны — например, каналы, которые, как утверждается, пропускают жидкость, на самом деле не могут выполнять свою функцию. По словам Бецхольца, нет никаких доказательств того, что жидкость перемещается в пространства вокруг кровеносных сосудов, выходящих из мозга.
Но многие другие исследователи, похоже, приняли глифатическую гипотезу. Это связано с тем, что она заполняет пробел в нашем понимании работы мозга, считает Дональд Макдональд, изучающий кровеносные и лимфатические сосуды в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Лично он не считает эту теорию обоснованной, но признаёт её популярность. Она прекрасно вписывается в область, окутанную тайной.
Приливы и отливы
Представьте себе запечатанную бутылку с водой. Чтобы изучить эту жидкость в её естественном состоянии, нужно прорезать в ней отверстие. Именно с этой трудностью сталкиваются учёные, изучающие движение спинномозговой жидкости. «Если вы изучаете жидкость и делаете отверстие в системе, вы её действительно меняете», — сказала Лора Льюис, профессор нейробиологии Массачусетского технологического института. «Инвазивные процедуры очень легко нарушают динамику жидкости». Более того, многие действия живых животных, такие как дыхание и сердцебиение, напрямую влияют на жидкость.
Таким образом, обосновать новую гипотезу в этой области непросто. В недавней статье группы Недергаарда в журнале Cell учёные хотели исследовать интригующую связь, которая не только объяснила бы, как спинномозговая жидкость может перекачиваться между клетками мозга, но и связала бы этот процесс со сном.
В рамках исследования мышам была проведена операция по имплантации датчиков, проводов и трубок в мозг — один из способов изучения действия бутылки с водой. Целью исследователей было ввести индикаторный краситель в цереброспинальную жидкость в определённой точке мозга, а затем отслеживать её колебания и динамику, пока мыши спали.
Данные показали, что во время фазы сна без быстрого движения глаз (NREM) концентрация метки колебалась ритмично. По словам первого автора исследования Натали Хогланд, с помощью датчика, расположенного над поверхностью мозга, исследователи наблюдали закономерность увеличения и уменьшения концентрации. «Это была волновая картина».
Что может быть причиной этого ритмичного кровотока? Исследователи предположили, что речь идёт о нейромедиаторе норадреналине, вызывающем сужение кровеносных сосудов. «Норденарин хорошо известен своей способностью регулировать кровоток», — сказал Недергаард. Возможно, предположили они, сужение и расслабление сосудов может оказывать достаточное давление на окружающую спинномозговую жидкость, чтобы проталкивать её через ткани мозга.
Исследование под руководством Натали Хогланд показывает, что импульсы норадреналина помогают перекачивать спинномозговую жидкость через мозг во время фазы медленного сна.
Более того, во время медленного сна уровень норадреналина ритмично меняется. Этот нейромедиатор может помочь связать воедино их гипотезы — о физическом движении спинномозговой жидкости через ткани мозга и о «промывании мозгов», происходящем во время сна.
Команда создала мышей, у которых можно было включать и выключать выработку нейромедиатора. Они наблюдали, как при повышении уровня норадреналина увеличивался и объём спинномозговой жидкости в мозге, что позволяет предположить, что это каким-то образом изменяет её циркуляцию.
Затем, чтобы проверить, может ли перекачивание крови из сосудов перемещать спинномозговую жидкость, учёные вывели мышей со стенками кровеносных сосудов, которыми они могли управлять напрямую. Вместо того, чтобы перекачивать кровь из сосудов медленно, как это происходит в природе, они двигали стенки быстро — каждые 10 секунд, а не каждые 50. «Когда мы это делали, мы увеличивали приток спинномозговой жидкости с одной стороны мозга» в очень небольшой области, где она перекачивалась, сказал Хогланд. «Это было очень локально… Во всех остальных частях мозга наблюдалось то же самое».
По мнению Недергард, Хаугланд и их коллег, полученные результаты связывают воедино норадреналин, физическую динамику кровеносных сосудов и циркуляцию спинномозговой жидкости в мозге. Недергард также утверждает, что результаты согласуются с более ранним открытием её группы о том, что во время сна мозговой отток интенсивнее, чем во время бодрствования.
«Мы пытались понять, почему глимфатическая [система] работает в первую очередь, когда мы спим в течение длительного времени», — сказал Недергаард. «В статье говорится о следующем: теперь мы нашли двигатель или драйвер того, как мы промываем мозг во время сна».
Однако критики этой теории считают, что здесь все еще слишком много открытых пространств.
Под давлением
Макдональд из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Франциско отметил, что работа сложна и требует применения множества сложных методов. Однако он обеспокоен тем, что Недергаард работает в обратном направлении: ищет объяснение своей гипотезе, а не пытается понять, как на самом деле работает система. «В этой работе неясно, что такое интерпретация, а что — данные», — сказал он. «С самого начала их интерпретация подменяет собой то, что на самом деле является данными». Он указал, например, на схемы, демонстрирующие динамику потока, которые, по его мнению, не подкреплены.
Проулкс задался вопросом, перемещается ли краситель-индикатор под действием какой-либо активной силы. Молекула настолько мала, что, по его словам, может перемещаться путём диффузии. Он представляет себе эксперимент, используя методы, ранее применявшиеся в лаборатории Недергаарда, где большая молекула вводится в спинномозговую жидкость. Если ритмичное высвобождение норадреналина коррелирует с поступлением более крупного индикатора к датчику на поверхности мозга, это было бы захватывающим открытием. «Именно это я и хотел бы увидеть», — сказал он. По его мнению, это позволило бы установить более чёткую связь между потоком жидкости и норадреналином, чем та, что была продемонстрирована в лабораторных исследованиях до сих пор.
Критика работы Недергаарда вызывает серьёзные вопросы отчасти потому, что эта идея в настоящее время является наиболее популярной гипотезой о движении спинномозговой жидкости в головном мозге. Ситуация может измениться, если другие исследователи смогут предложить другие, поддающиеся проверке идеи. Ещё одна проблема заключается в том, что, говоря о глимфатической системе, все подразумевают разные вещи. «Некоторые используют слово «глимфатика» для обозначения «системы выведения отходов из мозга». Другие же используют его для обозначения совершенно конкретной механистической модели», — сказал Льюис. «Очевидно, что у мозга есть система выведения отходов и она ему нужна… Очень интересно исследовать, что это такое и как работает».
Хогланд, ныне постдок Оксфордского университета, знает о спорах вокруг глифатической гипотезы. «Её критикуют. Я также не уверена, что мы понимаем её правильно», — сказала она. «Чем больше людей действительно работают над изучением того, как она работает, независимо от их гипотез, — всё это будет способствовать развитию этой области и даст нам больше знаний».
«Результаты такие, какие есть. Они показывают что-то о биологии», — продолжила она. «Мы пытаемся задать много вопросов, но, возможно, не всегда в этом преуспеваем, потому что не понимаем, как всё устроено — в целом».
«Никто не знает правды», — сказал Пру о том, как мозг избавляется от отходов там, в наших черепах. «Некоторые думают, что знают. Но я думаю, мы этого не знаем».
Источник: www.quantamagazine.org
