Нове дослідження Scripps Research, опубліковане в Слуханнях Національної академії наук (PNAS), вирішує цю давню медичну таємницю. Використовуючи сучасні нанорозмірні мікроскопічні методи, плюс розумні експерименти на живих клітинах і плодових мушках, вчені показують, як скупчення ліпідів в клітинній мембрані служать посередником в механізмі з двох частин. Тимчасовий вплив анестезії призводить до того, що ліпідні кластери переходять з упорядкованого стану в безладний, а потім назад, що призводить до безлічі наступних ефектів, які в кінцевому підсумку викликають зміни в свідомості.

Відкриття хіміка Річарда Лернера, доктора медицини і молекулярного біолога Скотта Хансена, доктора філософії, поклало початок віковим науковим дебатам, які існують до сих пір: чи діють анестетики безпосередньо на ворота клітинної мембрани, звані іонними каналами, або вони якось впливають на мембрану , щоб сигналізувати про зміни клітин новим і несподіваним способом? За словами дуету, знадобилося майже п'ять років експериментів, викликів, дебатів і випробувань, щоб прийти до висновку, що це двоетапний процес, який починається в мембрані. Анестетики порушують впорядковані ліпідні кластери всередині клітинної мембрани, відомі як «ліпідні рафти», щоб ініціювати сигнал.

«Ми вважаємо, що немає ніяких сумнівів в тому, що цей новий шлях використовується для інших функцій мозку, за межами свідомості, що дозволяє нам тепер позбутися додаткових таємниць мозку», — говорить Лернер.

Лернер, член Національної академії наук, колишній президент Scripps Research і засновник кампусу Scripps Research в Юпітері, штат Флорида. Хансен - доцент в своїй першій посаді в тому ж кампусі.

Ефірний купол

Здатність Ефіру викликати втрату свідомості була вперше продемонстрована на пацієнті з пухлиною в Массачусетської лікарні загального профілю в Бостоні в 1846 році в хірургічному театрі, який пізніше став відомий як «Ефірний купол». Процедура була настільки послідовною, що вона була відображена в знаменитій картині Роберта Хінклі «Перша операція під ефіром». До 1899 року німецький фармаколог Ханс Хорст Мейер, а потім в 1901 році британський біолог Чарльз Ернест Овертон мудро прийшли до висновку, що розчинність ліпідів диктує ефективність таких анестетиків.

Хансен згадує, як звернувся до пошуку в Google при складанні заявки на грант для подальшого вивчення цього історичного питання, вважаючи, що він не може бути єдиним, хто переконаний в ролі мембранних ліпідних рафтів. На радість Хансена, він знайшов ілюстрацію зі статті PNAS Лернера 1997 року «Гіпотеза про ендогенний аналог загальної анестезії», в якій був запропонований саме такий механізм. Хансен довго дивився на Лернера — буквально. Хансен, будучи студентом-докторантом в Сан-Дієго, каже, що працював в підвальній лабораторії з вікном, що виходить прямо на паркувальне місце Лернера в Scripps Research.

«Я зв'язався з ним і сказав: « Ви ніколи не повірите цьому. Ваша ілюстрація 1997 року інтуїтивно описувала те, що я бачу в наших даних прямо зараз , — згадує Хансен, - Це було чудово».

Для Лернера це був також захоплюючий момент.

«Це дідусь медичних загадок», — говорить Лернер. «Коли я вчився в медичній школі в Стенфорді, це була єдина проблема, яку я хотів вирішити. Анестезія мала таке практичне значення, що я не міг повірити, що ми не знали, як всі ці анестетики можуть змусити людей втрачати свідомість ».

Багато інших вчених протягом століть експериментів шукали ті ж відповіді, але ним не вистачало декількох ключових елементів, говорить Хансен: по-перше, мікроскопи, здатні візуалізувати біологічні комплекси, менші, ніж дифракційні межі світла, і, по-друге, недавнє розуміння природи клітинних мембран, а також складну організацію і функцію багатого розмаїття ліпідних комплексів, які їх складають.

«Вони шукали в цілому морі ліпідів, і сигнал був розмитий, вони просто не бачили його, в основному через відсутність технологій», — говорить Хансен.

Використовуючи відзначену Нобелівською премією мікроскопічну технологію, зокрема мікроскоп під назвою dSTORM, скорочено від «мікроскопії прямої стохастичної оптичної реконструкції», постдокторський дослідник в лабораторії Хансена «купав» клітини в хлороформі і спостерігав щось подібне до першого удару в грі в більярд. Хансен пояснює, що вплив хлороформу на клітини сильно збільшив діаметр і площу ліпідних кластерів клітинної мембрани під назвою GM1.

Хансен каже, що те, на що він дивився, так це на зміну організації кластера GM1, перехід від щільно упакованого м'яча до зруйнованого безладу. У міру того, як він ставав безладним, GM1 розливав свій вміст, в тому числі фермент, фосфоліпазу D2 (PLD2).

Позначаючи PLD2 флуоресцентною хімічною речовиною, Хансен зміг спостерігати за допомогою мікроскопа dSTORM, коли PLD2, як більярдна куля, відійшов від свого «дому» GM1 і перейшов до іншого, менш стабільного ліпідного кластера під назвою PIP2. Це активувало ключові молекули в кластерах PIP2, серед них іонні канали калію TREK1 та їх ліпідний активатор, фосфатидна кислота (PA). Хансен каже, що активація TREK1 в основному заморожує здатність нейронів проводити імпульс і, таким чином, призводить до втрати свідомості.

«Калієві канали TREK1 вивільняють калій і це призводить до гіперполяризації нерва — це ускладнює проведення імпульсу — і просто відключає його», — говорить Хансен.

Лернер наполіг, щоб вони підтвердили результати на моделі живого організму. Звичайна плодова муха drosophila melanogaster надала ці дані. Видалення експресії PLD у мух зробило їх стійкими до ефектів седації. Насправді їм було потрібно подвоїти вплив анестетика, щоб продемонструвати ту саму відповідь.

«Всі мухи в кінцевому підсумку втратили свідомість, припускаючи, що PLD допомагає встановити відправний пункт, але це не єдиний шлях, який контролює чутливість до анестезії», — пишуть вони.

Хансен і Лернер кажуть, що ці відкриття створюють безліч нових можливостей, які можуть пояснити інші загадки мозку, в тому числі молекулярні події, які змушують нас заснути.

Первісна гіпотеза Лернера про роль «ліпідних матриць» у виникненні сигналу у 1997 році постала в результаті його досліджень в області біохімії сну і його відкриття снодійного ліпіда, який він назвав олеамідом. Співпраця Хансена та Лернера в цій області триває.

«Ми думаємо, що це фундаментально, але потрібно виконати набагато більше роботи, і це потрібно робити багатьом людям», — говорить Хансен.

«Люди почнуть вивчати це для всього того, що ви можете собі уявити: сон, свідомість, всі пов'язані з цим розлади», — говорить він. «Ефір був даром, який допомагає нам зрозуміти проблему свідомості. Він пролив світло на раніше невідомий шлях, який мозок явно розвинув, щоб контролювати функції вищого порядку ».