Полеты во сне и наяву: ученые сделали шаг на пути к искусственной гибернации космонавтов

Что произошло

Ученым Шэньчжэньского института передовых технологий Китайской академии наук удалось добиться стабильной гипотермии у обезьян путем воздействия на их мозг. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Innovation.

Это исследование впервые успешно демонстрирует гипотермию у приматов в результате направленной манипуляции нейронами. Учитывая растущий интерес к космическим полетам, гипотермия на модели обезьян — это важная веха на долгом пути к искусственной гибернации.

Ван Хун
руководитель исследовательской группы

• Ученые также проанализировали вегетативные и поведенческие реакции на индуцированную гипотермию у приматов. В отличие от мышей, которые обычно снижают активность и частоту сердечных сокращений, у обезьян поддержка температуры тела происходит за счет увеличения частоты сердечных сокращений и двигательной активности, а также дрожи скелетных мышц. Таким образом, механизм терморегуляции у приматов сложнее, чем у мышей.

Как это работает

• Целью ученых была преоптическая область в гипоталамуса (POA) в мозге обезьян. Они модифицировали нейроны с помощью вирусных векторов, несущих в себе ген DREADD — белкового рецептора, который позволяет управлять активностью нейронов с помощью специфичных препаратов.
• В ходе эксперимента выяснилось, что активация определенной группы нейронов с помощью клозапин-N-оксида вводит спящих и бодрствующих животных в состояние гипотермии.
• Воздействие на нервные клетки у приматов под анестезией вызывало снижение внутренней температуры тела, препятствуя при этом внешнему нагреву. Это показывает, что возбуждающие нейроны в POA играют критическую роль в терморегуляции.

Почему это важно

Исследователи давно изучают возможность введения людей «в спячку» для длительных полетов в космос. Это поможет решить сразу несколько важных задач.

• Экономия пространства. Большую часть полета космонавты будут находиться в капсулах для сна, что позволит уменьшить салон. Также в состоянии гибернации им не потребуется питание в привычном виде — необходимые вещества будут поступать в организм через систему жизнеобеспечения. За счет сокращения запасов пищи и воды вес шаттла снизится, и для полета понадобится меньше топлива. По подсчетам NASA, для экипажа из 4–6 человек объем жилого модуля сократится в 6 раз, а суммарная масса снаряжения, продуктов питания и личных вещей — на 52–68%.
• Защита космонавтов от радиации. В космосе человек за сутки получает дозу радиации в 200 раз больше, чем на Земле. Исследования показывают, что в состоянии гибернации организм лучше защищен от ее воздействия. Кроме того, если космонавты будут большую часть полета находиться в одной части корабля, ее проще и дешевле защитить от излучения, чем весь шаттл.
• Сохранение психического здоровья. Долгие космические полеты — непростое испытание для человеческой психики. Космонавты вынуждены долгое время находиться в замкнутом пространстве с коллегами. В процессе полета взаимоотношения между ними могут ухудшиться, что может повлиять на успех программы. Кроме того, на орбите «восходы» и «закаты» происходят каждые 45 минут, что ведет к нарушению циркадных ритмов. Организм не понимает, когда нужно спать, а когда бодрствовать. Это может стать причиной усталости и раздражительности. Эту проблему также может решить искусственный сон.

Тенденция

Ученые рассматривали несколько способов введения людей в состояние гибернации.

• В 2005 году ученые из Онкологического исследовательского центра в Сиэтле обнаружили, что сероводород вызывает состояние гибернации у мышей. При поглощении газа их метаболизм постепенно замедлялся на 90%. Кроме того, в следующие 7 часов они могли провести, дыша воздухом с содержанием кислорода всего около 3–5%, — обычно в таких условиях мыши умирают через 20 минут. Позже эксперимент попытались повторить на овцах, но выяснилось, что крупных животных погрузить в спячку с помощью сероводорода невозможно: малых доз недостаточно для получения нужного эффекта, а большие слишком токсичны и приводят к смерти.
• Специалисты Института биофизики клетки РАН взялись за разработку препарата, который может погрузить человека в искусственную спячку. Ученые удалось создать сложную фармацевтическую композицию, включающую инертный газ ксенон. Препарат тестировали на кроликах и крысах. После укола у животных на 7 ℃ понижалась температура и на 70% замедлялся метаболизм. Через 10–15 часов животные возвращались к нормальному состоянию. Проект завершился в 2018 году.
• Уже сейчас в медицине используют краткосрочную искусственную гипотермию. Например, ее применяют при реанимации после остановке сердца, чтобы отсрочить наступление необратимых повреждений мозга, вызванных нехваткой кислорода. В вену вводят охлаждающий раствор, который циркулирует в организме и замедляет метаболизм. Главная проблема при гипотермии — купировать нарушение функций органов, вызванное переохлаждением.

Фото обложки: Erik Karits / Unsplash