Малко страшен пробив: ново устройство поддържа живота на мозъка отделно от тялото

Изследователи са разработили устройство, което изолира кръвоснабдяването на мозъка, за да го поддържа в състояние на функциониране независимо от останалата част на тялото. При тестове върху опитни прасета под анестезия устройството успява да поддържа почти всички функции на органа (мозъка) в продължение на пет часа. Това техническо постижение открива нови възможности за изучаване на функционирането на мозъка без влиянието на другите органи. То би могло да помогне и за разработването на по-ефективни машини от типа „сърце-бял дроб“.

Мозъкът контролира цялото тяло, регулирайки широк спектър от процеси – от най-жизненоважните, като сърдечния ритъм, дишането и цикъла на съня, до най-фините. Обратно, тези процеси могат да повлияят на мозъчната функция. Чрез изолиране на органа и манипулиране на мозъчния кръвоток може да се изследва в дълбочина въздействието върху мозъка на различните физиологични нарушения, като например исхемията и инсулта. Това ще позволи и по-прецизен анализ на начина на действие на терапевтичните молекули.

По-конкретно, достъпът до мозъчните съдове ще даде възможност да се характеризират различните свойства независимо от соматичните влияния, които иначе са неизбежни. Метаболизмът или многоорганното разпределение на биоактивните вещества може да попречи на точността на кинетичните анализи, свързани конкретно с мозъка. Колебанията в кръвния поток и кръвното налягане (напр. при артериална хипертония) могат да окажат значително въздействие върху мозъчната функция.

За да преодолеят тези ограничения, учените от десетилетия се опитват да създадат устройства, които изолират мозъка от останалата част на тялото, като същевременно запазват неговите функции. Най-разпространеният подход включва прекъсване на естественото кръвоснабдяване, последвано от изкуствено поддържане и контролиране на кръвния поток. Този метод обаче има ограничения, които могат да попречат на подробното изследване на мозъка.

Новото устройство, описано в списание Scientific Reports, представлява компютърно управлявана механична система, която регулира перфузията и състава на кръвта. С други думи, мозъкът се изолира от тялото и след това се снабдява с контролиран кръвен поток. Според авторите на новото изследване досега не е имало устройство, което наистина да изолира мозъка и да го поддържа в работоспособно състояние.

Чрез изолирането на мозъка могат да се манипулират входните сигнали, за да се проучи по какъв начин те предизвикват промени в него. В предишно проучване група учени използваха устройство, за да анализират ефектите на хипогликемията върху мозъка. Важно е да се отбележи, че въпреки че хипогликемията може да бъде предизвикана in vivo (чрез намаляване на приема на калории или прилагане на инсулин), останалата част от тялото може частично да я компенсира чрез промяна на метаболизма, което от своя страна води до промени в мозъка. За разлика от това, предложената тук нова система позволява нивата на кръвната захар да се контролират директно чрез изпомпване на кръв към мозъка.

Пулсиращият кръвен поток, сравним с работата на сърцето

Устройството е адаптирано към естественото артериално и венозно кръвообращение на прасетата (върху които са проведени експериментите). Кръвоснабдяването на мозъка се осигурява от помпена система, която контролира различните физиологични параметри, включително кръвното налягане, обема на кръвта, температурата, нивата на кислород и хранителните вещества. Конвенционалните апарати „сърце-бял дроб“ възпроизвеждат някои от функциите на тези органи, като осигуряват непрекъснат поток от обогатена с кислород кръв в цялото тяло. Новото устройство, наречено Екстракорпорален пулсиращ циркулаторен контрол (Extracorporeal Pulsatile Circulatory Control – EPCC) използва пулсиращ поток, сравним със сърдечния. По този начин се избягват страничните ефекти, причинявани от стандартните устройства (като кръвоизливи и инсулти).

С цел извършване на неврофизиологични изследвания, съответстващи на естествените условия, устройството е конфигурирано така, че да запазва невронната активност от по-висок порядък, както се вижда от непрекъснатите записи на електрокортикография (ЕКГ) и записи на интрацеребралните полеви потенциали (записи с дълбоки електроди).

EcoG е мярка, която обхваща голям набор от клетъчни дейности, високоорганизирани връзки в осцилаторни сигнали и други периодични импулси, които се променят през точно определени интервали от време. Предишни експерименти показаха, че въпреки че в постморталните мозъци на животните, подложени на механична перфузия, се запазва широк спектър от локална и индивидуална невронна активност, EcoG не се запазва. Това предполага, че тя представлява особено надежден показател за целостта на невронната функция.

От друга страна, проучванията показват, че и двата показателя (ЕКГ и записа на интрацеребралните дълбоки полеви потенциали) са подложени на колебания в перфузията за период от секунди или минути. За да се оцени запазването на мозъчната активност по време на EPCC, записите бяха извършени преди и по време на перфузията с минимална намеса на анестезията.

При анализа изследователите установяват, че показателите на мозъчната активност на животните се променят незначително, ако изобщо се променят, през 5-часовия период. Мозъчната активност остава непроменена или само леко нарушена от нормалното, както и нивата на кислород, вътрешното налягане, температурата и микроскопичната структура.

„Този нов метод позволява изследванията на мозъка да се извършват независимо от тялото, което дава възможност да се отговори на физиологични въпроси по начин, който не е правен досега“, обобщава един от разработчиците, Хуан М. Паскуал от Югозападния медицински център (САЩ).