Во сне мы отдыхаем и набираемся сил. Но пока мы смотрим увлекательные сны, наш мозг вовсю работает: запускает «стиральную машину» и включает «пылесос», чтобы убрать из головы всё лишнее, например, вредные белки.  Как это работает и можно ли помочь мозгу в его полезных «домашних» делах – рассказывает Татьяна Богатенко, аспирантка  Института физики Саратовского государственного университета.

Фото: Ana C./Flickr.com, CC BY-NC-ND 2.0

― Татьяна, чему посвящена ваша научная работа?

― Это очень интересная тема. Мой научный руководитель, профессор нашего университета Куртц Юрген Густав много лет занимается разработкой смарт-технологий управления лимфатическими сосудами, которые были открыты в тканях мозга его научной группой. Это переворотное событие в нейронауке, кардинально меняющее представление о процессах очищения тканей мозга от метаболитов и токсинов. Открытие лимфатических сосудов открывает принципиально новые сценарии управления процессами очищения тканей мозга от ненужных соединений.

― Какие соединения в мозге не нужны?

― Например, при развитии болезней Альцгеймера или Паркинсона в мозге накапливаются токсичные белки (бета-амилоид, альфа-синуклеин), которые засоряют его ткани. Сегодня уже известно, что лимфатические сосуды выполняют функцию выведения этих токсичных для мозга белков. А сон, как нам удалось выяснить, является состоянием, когда мозг закрывается от внешнего мира, чтобы «почистить» свои ткани по лимфатическим сосудам. Эти пионерские открытия легли в основу идеи развития цифровых технологий управления очистительными способностями мозга во время сна. 

― Эти исследования помогут вылечить болезнь Альцгеймера?  

― Да, в рамках этих исследований предполагается разработка принципиально новых подходов в диагностике ранней стадии болезней Паркинсона и Альцгеймера, построенных на развитии технологии неинвазивной оценки состояния гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) по данным сценариев ЭЭГ-ночных паттернов активации лимфодренажа тканей мозга. Для этого применяются современные подходы оценки лимфатической системы мозга животных и человека, а также специально разработанные оригинальные методы МРТ-ЭЭГ и биофизического анализа скрытых изменений в ГЭБ. 

― Проводились ли раньше такие исследования?

― В России подобные исследования проводятся впервые. Они имеют масштабное значение, связанное с изменением наших знаний о работе мозга во время сна, а в будущем это приведет к появлению гаджетов «умного сна» для управления его восстановительными свойствами, в том числе, в домашних условиях. Это важно и для нейрореабилитационной медицины.

Татьяна Богатенко. Фото из личного архива.

― Почему так важно именно состояние сна?

― В последние годы были совершены два больших открытия в нейронауках. Первое открытие состояло в том, что были переоткрыты менингеальные лимфатические сосуды. Это сосуды, которые располагаются в оболочках мозга. Сейчас проходит много исследований, которые подтверждают, что эти сосуды, так называемые «пылесосы», выводят из тканей головного мозга всё, что ему не нужно: метаболиты и некоторые белки, которые являются для мозга токсичными, например, бета-амилоид. Метаболиты и бета-амилоиды образуются в нейронах, а потом попадают сначала в жидкости между клетками мозга, потом в периваскулярное пространство, и дальше попадают в систему взаимодействия жидкостей в мозге. Так вот, менингеальные лимфатические сосуды как бы выкачивают эту жидкость, обеспечивают дренаж головного мозга, и за счёт движения жидкости выкачиваются токсины и метаболиты.

Второе открытие было связано с тем, как у людей (и у мышей) эта функция проявляется во время сна. В режиме реального времени (данные МРТ и мультифотонной микроскопии) было установлено, что как только мозг проваливается в глубокий сон, он превращается в «стиральную машинку», и жидкости, содержащие токсины, начинают активно выводиться из его тканей. Важно, что речь идёт именно про глубокий сон. Существует два вида сна: быстрый сон, когда мы видим сны, и глубокий сон, когда мы ничего не видим. В глубоком сне выделяют несколько этапов, один из которых дельта-активность, и именно в этот редкий сон – он составляет всего 25% времени для здорового мозга – повышается активность лимфатических сосудов. А если человек испытывает стресс или, например, имеет какую-то патологию, то период дельта-активности ещё меньше.

Это наблюдение очень важно и для лечения, и для отслеживания возрастных изменений. Известно, что с возрастом менингеальные лимфатические сосуды стареют, и дренажная функция мозга становится слабее (накопление амилоида – это одна из причин, почему люди теряют память). В этих случаях имеет смысл проводить терапию во время сна.

― Говорят, что существует, как минимум, четыре фазы сна. Играет ли роль, в какой именно фазе сна начинать лечение, чтобы оно было наиболее эффективным?

― Вопрос хороший даже с технической точки зрения. Представим, что пациент провалился в сон, исследователь это мониторит, видит, что наступила дельта-активность, и даёт фотостимуляцию. Но фотостимуляцию, например, нужно давать в течение 15 минут, а пациент взял и проснулся. Возникает вопрос: должны ли мы остановить лечение и дождаться следующего дельта-сна?

Оказывается, нет! На животных было определено, что, когда пациент входит в фазу дельта-сна и начинает получать стимуляцию, процесс усиливается в разы и продолжается по инерции до трёх часов. Так что, действительно неважно, в какую стадию дельта-активности попасть. И, кстати, фаз сна всего четыре, не больше.

Схема эксперимента для исследования по анализу ЭЭГ лабораторных крыс. Мы получали данные ЭЭГ от двух групп лабораторных крыс, которые получали два разных вида анестезии и которые проходили три стадии анестезии последовательно. Далее записи ЭЭГ нормировались, и для них рассчитывались спектры мощности. В итоге из спектров получили временные ряды для энергий пяти мозговых волн. Иллюстрация предоставлена Татьяной Богатенко.

― А если проводить фотостимуляцию в состоянии бодрствования?

― Это не противопоказано. Лимфатическую систему можно стимулировать, когда она не активна, но в таком случае этих трёх часов не наблюдается: она «вспыхнула», но за счёт того, что в данный момент у неё нет своего ресурса, она не работает так долго.

― Вы проводите исследования на мышах, давая им наркоз. Насколько вообще идентичны состояния сна и наркоза?

― Есть как похожие признаки, так и различные, например, в целом при наркозе не наблюдается фаз быстрого и глубокого сна. Но, опять-таки, разные виды наркоза оказывают разный эффект, и некоторые из них могут стимулировать дренаж, а некоторые подавлять.

― Правильно ли я понимаю, что к людям для лечения должно применяться только состояния сна, но не наркоза?

― Смотря что вы хотите лечить. К тому же надо помнить, что существуют разные виды анестезии. Основной целью общей анестезии (наркоза) является борьба с болью, поэтому если вы, например, проводите полостную операцию, то имеет смысл ввести общую анестезию пациенту, а не просто заставить его поспать. А если речь идёт про терапию, связанную с дренажной функцией мозга, о которой мы поговорили ранее, то нужды в таком глубоком наркозе в этом случае нет, и в нашей научной группе ведётся работа только со сном. Существует также седация – так называемый медикаментозный сон. Она применяется, когда нет необходимости обезболивания, при этом у пациента отключается сознание, но сохраняются условные рефлексы, так что этот вид анестезии мягче, чем общая.

― В чём заключается лично ваша работа в рамках этого проекта?

― Сейчас тема находится на стыке биофизики и радиофизики. Нейронауки изначально для меня были не профильными, потому что я начинала учебу с направления «радиофизика» – и в бакалавриате и в магистратуре, только в аспирантуре приобщилась к биофизическому аспекту. У нас сейчас есть данные эксперимента с лабораторными крысами, но мы считаем, что методы исследования вполне можно применять и для работы с информацией, полученной от человека. Вообще, сейчас популярный подход – работа не только с настоящими данными, которые были записаны от живых организмов, потому что не всегда просто контролировать ход эксперимента. Для этого надо знать, в каком состоянии находится животное, с какого участка коры записываются данные. Поэтому один из популярных подходов, которые в настоящее время используются, это генерация и моделирование сигналов, которые можно было получить с настоящей живой коры, посредством радиофизических методов. Моя цель состоит в том, чтобы получить сигнал, который был бы похож на тот, который генерирует живая кора, и работать с ним, пробовать анализировать его, смотреть, какие там есть закономерности, какие волны и в каких ситуациях там образуются. Этот подход показывает себя как рабочий, и это очень интересно.

― Что происходит дальше?

― Сейчас на рецензировании находится работа, где грызуны проходили последовательно через несколько стадий анестезии: сначала нормальное состояние, потом немного анестезии, и в конце – летальная доза. Задача состояла в том, чтобы придумать простой метод, который позволял бы определить степень анестезии по данным ЭЭГ, чтобы в реальном времени отслеживать состояние живого организма во сне. И мы разработали достаточно простой метод с использованием машинного обучения без учителя, который позволяет это сделать.

― Какая цель ваших исследований?

― Моя цель – в анализе данных, которые получены искусственным методом. Не реальные данные от живых организмов, а попытка создания математической модели, которая позволяла бы сымитировать то, что происходит. Мне очень интересно было бы соединить два аспекта: с одной стороны, данные по поведению нервной ткани в состоянии сна, с другой – построение модели, которая могла бы генерировать и демонстрировать те сигналы, которые продуцирует нервная ткань. Мы пытаемся понять процессы, которые происходят в состоянии сна и в состоянии анестезии, сравнить их. Когда моя работа соединится с заделами, имеющимися у моего научного руководителя, думаю, это может быть настоящий научный прорыв.

Для данных ЭЭГ от каждой крысы рассчитывались статистические характеристики: среднее значение и среднеквадратичное отклонение энергий мозговых волн. Полученные данные позволили качественно и количественно описать поведение каждой волны на каждом этапе эксперимента. Иллюстрация предоставлена Татьяной Богатенко.

― Что вам уже удалось понять о сне?

― То, что было сделано, лично для меня дало больше информации о том, какие процессы происходят в состоянии сна, какие волны преобладают в нервной ткани, когда мы спим. Это даёт физическую базу под будущее исследование, направленное на численное математическое моделирование, которое составляет мой научный бекграунд. В будущем это позволит решать более глобальные задачи – например, построение коннектома. Коннектом – это такая модель, которая отражает функциональные и физические связи между нейронами в нервной ткани. Например, сейчас построен коннектом одного вида червя, у которого всего лишь 302 нейрона, и у него оказалось достаточно легко построить эти функциональные связи, понять, какие нейроны с чем соединены, за что они отвечают в его организме. Для человека эта задача сейчас популярна, очень красиво звучит, но она намного сложнее, потому что в человеческом мозге 86 миллиардов нейронов.

― Какую роль в вашей научной работе играет Научный центр «Идея»?

― Этот центр даёт очень интересные возможности для взаимодействия между учеными. Благодаря ему и была поставлена такая исследовательская задача. Без «Идеи» я бы не оказалась в том научном кругу, в котором сейчас вращаюсь. Я имею в виду аспирантов, с которыми мне повезло сотрудничать, организаторов и учёных. Они всегда могут просто посмотреть мою работу или послушать отчёт, выразить свое мнение, дать оценку или высказать замечания, которые способны улучшить мою работу. Стипендия научного центра даёт мне возможность полностью погрузиться в работу и не отвлекаться на бытовые вопросы. Надеюсь, скоро у нас появятся хорошие результаты!