Эмери Браун, профессор кафедры мозга и когнитивных наук, медицинских наук и технологий Массачусетского технологического института (слева), и Шинунг Чинг, постдок из лаборатории Брауна. Фотография: M. Скотт Брауэр
Различные состояния мозга вызывают разные волны электрической активности, при этом активный мозг, расслабленный мозг и спящий мозг создают легко различимые модели электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Эти закономерности меняются еще более резко, когда мозг переходит в определенное состояние глубокого покоя во время общей анестезии или комы.
Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета выяснили, как возникает одно такое состояние покоя, известное как подавление всплесков. Открытие, опубликованное в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences за неделю февраля. 6, может помочь исследователям лучше отслеживать другие состояния, в которых происходит подавление всплесков. Например, это также наблюдается в мозге жертв сердечного приступа, которые охлаждаются, чтобы предотвратить повреждение мозга из-за кислородного голодания, и в мозге пациентов, намеренно помещенных в медицинскую кому для лечения черепно-мозговой травмы или трудноизлечимых судорог.
Во время подавления всплесков мозг остается спокойным на несколько секунд за раз, перемежаясь короткими всплесками активности. Эмери Браун, профессор мозговых и когнитивных наук, медицинских наук и технологий Массачусетского технологического института, а также анестезиолог из Массачусетской больницы общего профиля, решил изучить подавление всплесков в анестезированном мозге и другие состояния мозга в надежде обнаружить фундаментальный механизм возникновения этой закономерности. Такие знания могут помочь ученым выяснить, сколько подавления вспышек необходимо для оптимальной защиты мозга во время индуцированной гипотермии, когда это состояние создается намеренно.
«Возможно, вам удастся разработать гораздо более принципиальный способ направить терапию с использованием подавления вспышек в случаях медицинской комы», – говорит Браун, старший автор статьи PNAS. «Вопрос в том, откуда вы знаете, что пациенты имеют достаточную защиту мозга? Должны ли они иметь один всплеск каждую секунду? Или один раз в пять секунд?”
Моделирование электрической активности
Шинунг Чинг, постдок лаборатории Брауна и ведущий автор статьи PNAS, разработал модель, описывающую, как возникает подавление всплесков, основанное на поведении нейронов в головном мозге. Возбуждение нейронов контролируется активностью каналов, которые позволяют ионам, таким как калий и натрий, входить и выходить из клетки, изменяя ее напряжение.
Для каждого нейрона «мы можем математически смоделировать поток ионов в тело клетки и из него через мембрану», – говорит Чинг. В этом исследовании команда объединила множество нейронов, чтобы создать модель большой мозговой сети. Показав, как и охлаждение, и некоторые анестетики снижают использование мозгом АТФ (энергетической валюты клетки), исследователи смогли создать паттерны подавления всплесков, соответствующие тем, которые на самом деле наблюдаются у людей.
Это первый случай, когда снижение метаболической активности на уровне нейронов было связано с подавлением всплесков, и это предполагает, что мозг, вероятно, использует подавление всплесков для сохранения жизненной энергии во время травм.
«Что действительно захватывает в этом, так это идея о том, что метаболическая регуляция запасов клеточной энергии играет роль в наблюдаемой динамике ЭЭГ. Это другой способ думать о детерминантах ЭЭГ », – говорит Николас Шифф, профессор неврологии и нейробиологии в Медицинском колледже Вейл Корнелл, который не принимал участия в этом исследовании.
Развивающийся мозг
Подавление вспышек также наблюдается у недоношенных детей. По мере взросления этих младенцев их мозговой паттерн приобретает нормальный непрерывный характер. Браун предполагает, что у недоношенных детей мозг может защищать себя, сохраняя энергию.
«Когда вы смотрите на развитие этих детей, мы можем легко начать предлагать способы количественного отслеживания их улучшения. Таким образом, те же алгоритмы, которые мы используем для отслеживания подавления вспышек в операционной, можно использовать для отслеживания исчезновения подавления вспышек у этих детей », – говорит Браун.
Такое отслеживание может помочь врачам определить, движутся ли недоношенные дети к нормальному развитию или страдают ли они заболеванием головного мозга, которое в противном случае могло бы остаться недиагностированным, говорит Чинг.
В будущих исследованиях исследователи планируют изучать недоношенных детей, а также пациентов с охлажденным мозгом и пациентов, находящихся в искусственной коме. Такие исследования могут показать, насколько подавление вспышек достаточно, чтобы защитить мозг в этих уязвимых ситуациях.