Арктична білка "зупиняє" свою активність на 8 місяців і залишається живою: вчені розкрили причини цього явища.

Для людини це миттєва смерть, але для арктичного ховраха - звичайна зима.

Якщо знизити температуру людського мозку всього на кілька градусів, його нейрони почнуть виявляти ознаки відмови. Навіть незначне зниження рівня кисню протягом кількох хвилин може призвести до загибелі клітин. А при досягненні температури тіла, близької до замерзання, електрична активність в мозку повністю зупиняється. Проте щоосені, арктичний ховрах (Urocitellus parryii) незмінно дозволяє температурі свого мозку опускатися нижче нуля градусів за Цельсієм.

Він зменшує кровотік до мозку до критично низького рівня і може залишатися в такому стані протягом тижнів. Після настання весни він пробуджується, наче нічого й не трапилося: його пам'ять залишається недоторканою, а мозок не має жодних помітних ушкоджень, повідомляє Forbes. Цей ссавець розробив одну з найрадикальніших стратегій гібернації на Землі: зворотне відключення мозкової діяльності.

Арктичні ховрахи населяють території Аляски та північної Канади, де зимовий період може тривати до восьми місяців, а температура повітря часто опускається нижче -30°C. На відміну від багатьох інших видів, які ховаються у теплоізольованих норах під час зимового сну, ці ховрахи залишаються вразливими до холоду, оскільки їхні нори можуть промерзати.

Як описано в дослідженні American Journal of Physiology, під час сплячки температура їхнього тіла може опускатися до -2,9°C, що на сьогоднішній день є найнижчим показником, зареєстрованим у ссавців. Незабаром після цього серцевий ритм сповільнюється з приблизно 200 ударів на хвилину до менше десяти. Дихання практично зупиняється, а мозкова активність стає ледь помітною. І все ж, неймовірним чином, мозок не вмирає.

На клітинному рівні, мозок ховраха переходить у стан, що називається "торпор" (заціпеніння), в якому:

Слід зазначити, що бездіяльність цих нейронів має свою мету. Під час фази торпору ховрахи можуть знижувати активність іонних каналів, зменшувати вивільнення глутамату та стабілізувати мембрани клітин. Це, в свою чергу, повністю запобігає ексайтотоксичності — процесу, який зазвичай призводить до загибелі нейронів під час кисневого дефіциту або переохолодження у людей. Іншими словами, арктичний ховрах переводить свій мозок в "режим економії енергії".

Однією з найцікавіших рис гібернації арктичного ховраха є його здатність до виживання в умовах ішемії (недостатності крові та кисню) на рівні мозку. Як показали результати дослідження, опублікованого в журналі Stroke у 2006 році, навіть короткочасна ішемія у людини може мати серйозні наслідки — від підвищення рівня кальцію в клітинах до порушення роботи мітохондрій і загибелі клітин. Однак, нейрони арктичних ховрахів вражають своєю стійкістю до цього ланцюга пошкоджень.

У дослідженні зазначено, що під час стану торпору клітин мозок зберігає цілісність своїх мітохондрій та захищається від окислювального стресу. В цей час активізуються антиоксидантні механізми, які каталізують метаболічні процеси, що нейтралізують шкідливі вільні радикали. Іншими словами, цю здатність можна вважати своєрідною формою превентивної клітинної інженерії.

Проте, мабуть, найменш очікуваним відкриттям виявилося те, що відбувається з синапсами. Під час глибокого сну синаптичні зв'язки в мозку ховраха частково руйнуються. Дендритні шипики скорочуються, що викликає значне зменшення взаємодії між нейронами.

Для більшості тварин це стало б медичною катастрофою, оскільки втрата синапсів міцно асоціюється з нейродегенеративними захворюваннями і зниженням когнітивних здібностей. Але для арктичного ховраха це оборотний процес: він періодично розігрівається під час коротких фаз пробудження, і в цей час синапси стрімко відновлюються. Це означає, що до моменту виходу з нори навесні нейронна архітектура тварини буде функціонально нормальною.

Сплячка у ссавців - процес не безперервний, і арктичний ховрах не виняток. Кожні кілька тижнів він ненадовго (менше ніж на добу) розігрівається до нормальної температури тіла. Ці пробудження енергетично затратні: на них йде велика частина енергії, що витрачається за всю зиму.

Якщо це так дорого коштує, навіщо взагалі потрібні ці періодичні розігріви? Як пояснює дослідження 2009 року в Journal of Comparative Physiology, це необхідно для "технічного обслуговування" мозку. Розігрів дозволяє відновити ДНК, відновити функції білків і збалансувати системи нейромедіаторів. Торпор ставить пошкодження на паузу, а періодичні пробудження допомагають організму усунути ті невеликі поломки, які все ж накопичилися.

Для більшості інших тварин зниження температури тіла нижче нульової позначки викликало б кристалізацію льоду, яка призвела б до розриву клітин. Однак у новаторському дослідженні, опублікованому в журналі Science, розглядається, як арктичні ховрахи уникають цієї небезпеки завдяки двом механізмам: суперохолодженню рідин та контрольованому утворенню льоду в периферичних тканинах.

Дивно, але цей механізм повністю запобігає утворенню льоду в мозку. Спеціалізовані білки, змінений склад мембран і точний контроль хімії позаклітинної рідини зберігають нейрони в рідкому стані навіть при температурі нижче 0°C. Примітно, що такий рівень контролю неймовірно рідкісний серед ссавців; він більше нагадує стратегії, що спостерігаються у морозостійких амфібій і рептилій.

Арктичні ховрахи стали важливими об'єктами для дослідження нейропротекції. Вивчення їхніх механізмів адаптації до гіпотермії та ішемії вже зробило значний внесок у наукові розробки та вдосконалення підходів до лікування інсультів, зупинки серця та черепно-мозкових травм. Дослідження станів, схожих на торпор у людей, активно розвиваються, особливо у сферах екстреної медицини та тривалих космічних місій.

Ховрах демонструє, що мозок ссавців не є таким вразливим, як ми звикли вважати. За належних молекулярних умов він має потенціал витримувати екстремальні навантаження, які раніше вважалися неможливими.

Ця особливість не є випадковим явищем: арктичні ховрахи еволюціонували під сильним тиском природного відбору, де неспроможність витримати зимові умови призводила до вимирання. Замість того щоб уникати холоду, вони навчилися адаптуватися до нього на фундаментальному біологічному рівні. Їхній мозок перетворився на гнучку систему, яка має можливість оборотного відключення.

З точки зору еволюційної біології це нагадування: інтелект і виживання не завжди вимагають постійної нейронної активності. Іноді найрозумніша стратегія - знати, коли потрібно перейти в режим повного спокою.

Раніше УНІАН інформував, що вулкан, який забрав життя тисяч людей у 1980-х роках, знову починає проявляти активність.