Арктичний ховрах вимикає мозок на вісім місяців і не вмирає: біологи пояснили цей феномен

Якщо охолодити людський мозок всього на кілька градусів, його нейрони незабаром почнуть відмовляти. Якщо рівень кисню впаде досить низько хоча б на кілька хвилин, клітини загинуть. А якщо знизити температуру тіла до точки замерзання, електрична активність у мозку припиниться повністю. І все ж якимось чином щозими арктичний ховрах (Urocitellus parryii) навмисно дозволяє температурі свого мозку опускатися нижче за 0°C.

Він скорочує приплив крові до мозку до мінімуму і залишається в такому стані тижнями. Потім, з приходом весни, прокидається: його пам'ять збережена, а мозок не має жодних видимих пошкоджень, пише УНІАН з посиланням на Forbes. Цей ссавець виробив одну з найекстремальніших стратегій гібернації на планеті: оборотне відключення мозку.

Арктичні ховрахи мешкають на Алясці і в північній Канаді, де зима може тривати до восьми місяців, а температура повітря часто падає нижче за −30°C. На відміну від багатьох інших тварин, які впадають у сплячку в добре ізольованих норах, ці ховрахи залишаються вразливими перед промерзлим ґрунтом.

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

На клітинному рівні мозок ховраха входить у стан, відомий як торпор (заціпеніння), при якому масово знижується нейронна активність (імпульсація), пригнічується синаптична передача, споживання енергії падає до менш ніж 5% від нормального рівня.

Важливо відзначити, що бездіяльність цих нейронів не випадкова. Фаза торпора дозволяє ховраху пригнічувати активність іонних каналів, знижувати викид глутамату і стабілізувати клітинні мембрани. У результаті повністю блокується ексайтотоксичність – процес, який зазвичай вбиває нейрони при кисневому голодуванні або переохолодженні у людей. Простіше кажучи, арктичний ховрах перемикає свій мозок в режим енергозбереження.

Читати ще: У Швейцарії розробили ШІ-інструмент для дослідження бурих ведмедів

Одна з найдивовижніших особливостей гібернації арктичного ховраха – те, наскільки добре його мозок переносить ішемію (нестачу крові та кисню). Згідно з дослідженням 2006 року в журналі Stroke, для людини навіть короткочасна ішемія може призвести до серйозних наслідків: припливу кальцію в клітини, відмови мітохондрій і загибелі клітин. Але, що дивно, нейрони арктичних ховрахів здатні протистояти цьому каскаду руйнувань.

Під час торпора клітини їхнього мозку зберігають цілісність мітохондрій і уникають окислювального стресу. Активуються антиоксидантні шляхи, що каталізують метаболічні реакції, які пригнічують шкідливі вільні радикали. Простіше кажучи, цю здатність можна порівняти з превентивною клітинною інженерією.

Однак, мабуть, найбільш нелогічним відкриттям стало те, що відбувається з їх синапсами. Під час глибокого торпора синаптичні зв'язки в мозку ховраха частково розбираються. Дендритні шипики втягуються, що призводить до різкого зниження зв'язку між нейронами.

Читати ще: Коли в Україну прийде весна: прогноз бабака Тимка

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 (менш ніж на добу) розігрівається до нормальної температури тіла. Ці пробудження енергетично затратні: на них йде велика частина енергії, що витрачається за всю зиму.

Як пояснює дослідження 2009 року в Journal of Comparative Physiology, це необхідно для «технічного обслуговування» мозку. Розігрів дозволяє відновити ДНК, 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 будь-якої іншої тварини падіння температури тіла нижче за нуль призвело б до утворення кристалів льоду, що розривають клітини. Дослідження в Science описує, що арктичні ховрахи уникають цього за допомогою двох механізмів: переохолодження (суперохолодження) рідин і контрольованого утворення 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 за температури, нижчої за 0°C. Примітно, що такий рівень контролю неймовірно рідкісний серед ссавців, він більше нагадує стратегії, що спостерігаються у морозостійких амфібій і рептилій.

Чому це важливо не тільки для ховрахів

Арктичні ховрахи стали моделлю для вивчення нейропротекції. Розуміння того, як їхній мозок переносить гіпотермію та ішемію, вже вплинуло на наукові дослідження та розробку методів лікування інсульту, зупинки серця та черепно-мозкових травм. Введення людини в стан, подібний до торпора, – активна сфера досліджень, особливо в контексті екстреної медицини та тривалих космічних польотів.

Читати ще: Вміють планувати майбутнє: біолог розповів про птаха з унікальною навичкою

Ховрах доводить, що мозок ссавців не такий крихкий, як ми звикли вважати. За правильних молекулярних умов він здатний пережити екстремальні навантаження, які ми вважали неможливими.

Ця здатність виникла не випадково: арктичні ховрахи еволюціонували під жорстким тиском відбору, де нездатність пережити зиму означала вимирання. Замість того щоб уникати холоду, вони адаптувалися до нього на найглибшому біологічному рівні. Їхній мозок став гнучкою системою, здатною до 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.

---

Підписуйтесь на наш Telegram-канал, аби першими дізнаватись найактуальніші новини Волині, України та світу

---