Для человека это мгновенная смерть, но для арктического суслика – обычная зима.
Если охладить человеческий мозг всего на несколько градусов, его нейроны вскоре начнут отказывать. Если уровень кислорода упадет достаточно низко хотя бы на пару минут, клетки погибнут. А если понизить температуру тела до точки замерзания, электрическая активность в мозге прекратится полностью. И все же, каким-то образом каждую зиму арктический суслик (Urocitellus parryii) намеренно позволяет температуре своего мозга опускаться ниже 0°C.
Он сокращает приток крови к мозгу до минимума и остается в таком состоянии неделями. Затем, с приходом весны, он просыпается как ни в чем не бывало: его память сохранена, а мозг не имеет никаких обнаружимых повреждений, пишет Forbes. Это млекопитающее выработало одну из самых экстремальных стратегий гибернации на планете: обратимое отключение мозга.
Арктические суслики обитают на Аляске и в северной Канаде, где зима может длиться до восьми месяцев, а температура воздуха часто падает ниже −30°C. В отличие от многих других животных, впадающих в спячку в хорошо изолированных норах, эти суслики остаются уязвимыми перед промерзшей почвой.
Как описывается в исследовании American Journal of Physiology, во время спячки температура их тела может опускаться до −2,9°C, что на сегодняшний день является самым низким показателем, зарегистрированным у млекопитающих. Вскоре после этого сердечный ритм замедляется с примерно 200 ударов в минуту до менее десяти. Дыхание практически останавливается, а мозговая активность становится едва различимой. И все же, невероятным образом, мозг не умирает.
На клеточном уровне мозг суслика входит в состояние, известное как "торпор" (оцепенение), при котором:
Важно отметить, что бездействие этих нейронов не случайно. Фаза торпора позволяет суслику подавлять активность ионных каналов, снижать выброс глутамата и стабилизировать клеточные мембраны. В результате полностью предотвращается эксайтотоксичность – процесс, который обычно убивает нейроны при кислородном голодании или переохлаждении у людей. Проще говоря, арктический суслик переключает свой мозг в "режим энергосбережения".
Одна из самых поразительных особенностей гибернации арктического суслика – то, насколько хорошо его мозг переносит ишемию (нехватку крови и кислорода). Согласно исследованию 2006 года в журнале Stroke, для человека даже кратковременная ишемия может привести к серьезным последствиям: притоку кальция в клетки, отказу митохондрий и гибели клеток. Но, что удивительно, нейроны арктических сусликов способны противостоять этому каскаду разрушений.
Как отмечается в исследовании, во время торпора клетки их мозга сохраняют целостность митохондрий и избегают окислительного стресса. Активируются антиоксидантные пути, катализирующие метаболические реакции, которые подавляют вредные свободные радикалы. Проще говоря, эту способность можно сравнить с превентивной клеточной инженерией.
Однако, пожалуй, самым нелогичным открытием стало то, что происходит с их синапсами. Во время глубокого торпора синаптические связи в мозге суслика частично разбираются. Дендритные шипики втягиваются, что приводит к резкому снижению связи между нейронами.
Для большинства животных это стало бы медицинской катастрофой, так как потеря синапсов прочно ассоциируется с нейродегенеративными заболеваниями и снижением когнитивных способностей. Но для арктического суслика это обратимый процесс: он периодически разогревается во время коротких фаз пробуждения, и в это время синапсы стремительно восстанавливаются. Это означает, что к моменту выхода из норы весной нейронная архитектура зверька будет функционально нормальной.
Спячка у млекопитающих – процесс не непрерывный, и арктический суслик не исключение. Каждые несколько недель он ненадолго (менее чем на сутки) разогревается до нормальной температуры тела. Эти пробуждения энергетически затратны: на них уходит большая часть энергии, расходуемой за всю зиму.
Если это так дорого стоит, зачем вообще нужны эти периодические разогревы? Как объясняет исследование 2009 года в Journal of Comparative Physiology, это необходимо для "техобслуживания" мозга. Разогрев позволяет восстановить ДНК, возобновить функции белков и сбалансировать системы нейромедиаторов. Торпор ставит повреждения на паузу, а периодические пробуждения помогают организму устранить те небольшие поломки, которые все же накопились.
Для любого другого животного падение температуры тела ниже нуля привело бы к образованию кристаллов льда, разрывающих клетки. Пионерское исследование в Science описывает, что арктические суслики избегают этого с помощью двух механизмов: переохлаждения (суперохлаждения) жидкостей и контролируемого образования льда в периферических тканях.
Удивительно, но этот механизм полностью предотвращает образование льда в мозге. Специализированные белки, измененный состав мембран и точный контроль химии внеклеточной жидкости сохраняют нейроны в жидком состоянии даже при температуре ниже 0°C. Примечательно, что такой уровень контроля невероятно редок среди млекопитающих; он больше напоминает стратегии, наблюдаемые у морозостойких амфибий и рептилий.
Арктические суслики стали моделью для изучения нейропротекции. Понимание того, как их мозг переносит гипотермию и ишемию, уже повлияло на научные исследования и разработку методов лечения инсульта, остановки сердца и черепно-мозговых травм. Введение человека в состояние, подобное торпору, – активная область исследований, особенно в контексте экстренной медицины и длительных космических полетов.
Суслик доказывает, что мозг млекопитающих не так хрупок, как мы привыкли считать. При правильных молекулярных условиях он способен пережить экстремальные нагрузки, которые мы считали невозможными.
Эта способность возникла не случайно: арктические суслики эволюционировали под жестким давлением отбора, где неспособность пережить зиму означала вымирание. Вместо того чтобы избегать холода, они адаптировались к нему на глубочайшем биологическом уровне. Их мозг стал гибкой системой, способной к обратимому отключению.
С точки зрения эволюционной биологии это напоминание: интеллект и выживание не всегда требуют постоянной нейронной активности. Иногда самая умная стратегия – знать, когда нужно уйти в режим полного покоя.
Ранее УНИАН сообщал, что вулкан, убивший тысячи людей в 1980-х, снова просыпается.