Нейробиологи не знают точно, какие мозговые цепи контролируют бодрствование и сон, и как именно препараты для общей анестезии влияют на эти цепи. Но новое исследование ученых из Пенсильвании в медицине приближает неврологию к решению этой важной головоломки.
Группа исследователей из Медицинской школы Перельмана при Пенсильванском университете в исследовании, опубликованном в ноябре в Интернете. 13 в Current Biology определила популяцию нейронов в области гипоталамуса мозга, которая не дает мышам спать, когда они обычно спали бы, когда они активированы. Активация этих нейронов также "просыпается" их от продолжающегося воздействия ингаляционных анестетиков, таких как изофлуран или севофлуран, и даже помогает поддерживать состояние готовности, когда животным вводят анестетики.
Исследование также поддерживает гипотезу, давно обсуждаемую нейробиологами: части мозга, регулирующие сон и бодрствование, также способны регулировать реакцию мозга на общие анестетики.
"Наши результаты подтверждают, что нервные цепи, регулирующие бодрствование, также могут быть важны для выхода из общей анестезии," сказал старший автор исследования Макс Келц, доктор медицинских наук, заслуженный профессор анестезии Медицинской школы Перельмана при Университете Пенсильвании.
Полученные данные указывают на возможность появления фармацевтических препаратов в будущем, которые будут активно ускорять выход из состояния наркоза, а также могут способствовать бодрствованию, что может быть полезно при неврологических заболеваниях, таких как нарколепсия. У пациентов, способных восстанавливаться после состояний минимального сознания, терапевтические средства, которые задействуют сильные системы, способствующие бодрствованию, могут предложить новые терапевтические стратегии, чтобы вернуть мозг в состояние сознательного бодрствования.
Келц и его коллеги, в том числе первый автор исследования, кандидат наук Сара Рейц, сосредоточили внимание на области гипоталамуса, известной как преоптическая область (ПОА). Предыдущие исследования дали противоречивые данные о том, какие популяции нейронов POA способствуют сну, бодрствованию и анестезии. Однако, вдохновленные недавними открытиями, что ранее целевые популяции нейронов POA на самом деле намного более разнообразны на молекулярном уровне, чем предполагалось, команда Penn Medicine исследовала одну недавно идентифицированную подгруппу, которая экспрессирует ген тахикинина 1, известную как нейроны POA Tac1.
Ученые с помощью генной инженерии создали мышей, у которых нейроны POA Tac1 – и только эти нейроны – могли переключаться "на" на несколько часов, сделав животным инъекцию безвредного химического вещества под названием CNO.
"Мы обнаружили, что активация нейронов POA Tac1 у мышей резко увеличивала бодрствование у этих мышей по сравнению с контрольными мышами," Рейц сказал. Используя электроэнцефалографию или ЭЭГ, исследователи заметили, что в период, когда мыши обычно проводят большую часть своего времени во сне, контрольные мыши в среднем засыпают в течение нескольких минут после инъекции инертного химического вещества, тратя только около 40 процентов четырехчасового сеанса записи спят. Однако мыши, которым вводили CNO и активировали POA Tac1, не спали почти весь сеанс, испытывая лишь несколько коротких периодов сна. Иногда, когда мыши были активны, мыши, активированные POA Tac1, также имели гораздо более длительные интервалы бодрствования по сравнению с контрольными мышами.
В дальнейших экспериментах исследователи обнаружили, что те же самые нейроны POA Tac1 могут способствовать бодрствованию против общих анестетиков – лекарств, которые используются для удержания пациентов в бессознательном состоянии во время серьезной операции. По сравнению с нормальными условиями, включение нейронов POA Tac1 увеличивало количество анестетика, необходимого для перехода в бессознательное состояние. Более того, когда эти нейроны были активированы, мыши выходили из состояния анестезии, вызванного как изофлураном, так и севофлураном, в дозах, которые ранее удерживали их в бессознательном состоянии.
Примечательно, что ингибирование нейронов POA Tac1 вместо их активации не имело эффекта на естественный сон или бессознательное состояние, вызванное анестезией, что позволяет предположить, что эти нейроны могут быть "тихий" при многих условиях, хотя они достаточны для пробуждения, эти нейроны POA Tac1 не всегда могут быть необходимы для бодрствования. Исследователи продолжают изучать нейроны гипоталамуса POA, чтобы выделить субпопуляции, ответственные за различные функции, связанные со сном и бодрствованием.
"Теперь, когда мы понимаем потенциальную силу этих нейронов POA Tac1, мы начинаем изучать их возбуждающие паттерны у животных, когда они естественным образом циклически проходят через состояния сна и бодрствования, а также входят или выходят из состояний общей анестезии," сказал Кельц. "Мы задаемся вопросом, может ли несвоевременное возобновление возбуждения в тех или иных нейронах, способствующих пробуждению, в конечном итоге быть причиной редкого из тысячи случаев, когда пациенты, находящиеся под наркозом, неправильно приходят в сознание во время хирургических процедур."