Путь от одной клетки к многоклеточному организму, состоящему из ста триллионов отдельных «кирпичиков», дался человеку нелегко. Это потребовало развития сложнейших систем регуляции, использующих электрические импульсы и сигнальные молекулы самого различного происхождения. Правда, за такое «совершенство» периодически приходится расплачиваться: редкие сбои в работе нескольких нейронов могут стоить жизни.
Распространенный пример — припадки, происходящие по не выясненным пока причинам: небольшие очаги «сверхактивации» в головном мозге заставляют тело содрогаться в конвульсиях.
Ученые из американского Университета Айовы смогли справиться с этой проблемой за счет умений, дошедших до нас от одноклеточных предков, умевших реагировать на изменения температуры и кислотности окружающей среды.
Джон Вемми и его коллеги доказали, что прекратить судороги помогает способность клеток распознавать «кислотность» среды с помощью специального ионного канала — ASIC1a (acid sensing ion channel 1a).
Неврологи прежде уже научились достаточно точно предсказывать появление судорог по электрической активности мозга и установили многообразные пусковые причины, самая известная среди которых — мерцающий свет. Но молекулярные факторы, способные как запустить, так и (что важнее) остановить припадок, до сих пор оставались невыясненными.
Причем взгляды на эту проблему даже в научном сообществе весьма противоречивые: одни авторы пишут, что припадку способствуют понижение содержания кислорода, недостаток глюкозы и АТФ — основного расходного энергоресурса внутри клеток, в то время как другие придерживаются диаметрально противоположной точки зрения. Отсюда и отсутствие адекватных методов лечения.
Для «профилактики» припадков врачи попросту подавляют общую активность нервных клеток головного мозга, блокируя разнообразные ионные каналы и высвобождение нейромедиаторов, участвующих в активации и возбуждении нейронов. Не последнее место в этом арсенале противосудорожных средств занимают барбитураты и схожие по действию препараты. К сожалению, они оказывают «замедляющее» действие на всю нервную систему, что не лучшим образом сказывается на жизни больных.
Один из основателей электроэнцефалографии, Вильям Гордон Леннокс ещё в 1929 году предположил, что снижение pH, то есть «закисление» ткани мозга, способствует прекращению судорог.
Вемми и его коллеги решили выяснить, как этот принцип реализуется на клеточном уровне.
Кислотность, так же как и температура, поддерживается в организме на постоянном уровне — 7,35–7,37. Кровь выступает в качестве буферного раствора, смягчающего повреждающее действие продуктов обмена веществ на ткани.
Причем сами клетки могут активно распознавать уровень pH, в частности благодаря упомянутым ионным каналам ASIC1a. Активируемые высокой концентрацией протонов (H+), эти трансмембранные каналы открываются и начитают пропускать натрий и кальций, способствуя «дезактивации» нейрона.
В экспериментах на мышах американские учёные продемонстрировали, что повышение количества этих каналов значительно уменьшает активность «эпилептических очагов». А выключение соответствующего гена продлевало и усиливало судороги, нередко заканчивавшиеся летальным исходом.
Но главное — наблюдаемый эффект зависел от pH, достигая «максимума полезности» при pH около 6,8. Таких значений кислотности у мышей удавалось добиться при повышении концентрации углекислого газа до 10% с «атмосферных» 0,038%.
Вемми даже после проделанной работы, результаты которой опубликованы в Nature Neuroscience, не удалось предложить нового медикамента. Зато фундаментальный механизм можно использовать весьма простым способом: повышение во вдыхаемом воздухе содержания углекислого газа обязательно скажется на кислотности крови и остальных тканей. Правда, неясно, сколько нужно дышать «в пакет», чтобы активировать упомянутые каналы нейронов за счет «скисания мозга».