Ученые выяснили, что кратковременное воздействие космического излучения увеличивает количество белков, поддерживающих жизнеобеспечение нейронов в сенсомоторной коре мозга крыс — зоне, отвечающей за контроль движений. Более того, оно стимулирует развитие нейронов и влияет на центральную нервную систему, делая испытуемых животных на 56% более активными и стимулируя у них исследовательское поведение. Работа ученых может помочь лучше понять, как человек будет переносить дальние пилотируемые полеты в космосе, а также разработать новые подходы к лечению заболеваний центральной нервной системы. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.
Экспериментальная установка (бокс) «открытое поле». Источник: Виктор Кохан
Магнитное поле и плотная атмосфера защищают Землю от ионизирующего излучения в космосе. Ионизирующее излучение — это поток частиц высокой энергии, способных фрагментировать атомы вещества, через которое они проходят, а также формировать большой поток вторичного излучения (тяжелые ионы, электроны, тормозное рентгеновское излучение, нейтроны и другое). Один из самых опасных видов такого излучения — высокоэнергетические тяжелые заряженные частицы — это ядра элементов тяжелее гелия. Они вредят организмам, находящимся в космосе как вне, так и на борту космических аппаратов, и способны приводить к повреждению ДНК, нарушать целостность клеток, а также вызывать катаракту, нарушение кроветворения, онкологические заболевания.
В ходе пилотируемых дальних космических миссий (за пределами магнитного поля Земли — 70 000 километров от поверхности и дальше) экипаж подвергается значительному радиационному облучению. Ранее полученные данные МРТ мозга космонавтов, побывавших на МКС, показали, что в космосе уменьшаются в объеме практически все структуры мозга, кроме сенсомоторной коры — области, ответственной за восприятие и контроль движений тела. Такое снижение объема не влечет за собой функциональных нарушений нервной системы — ухудшения психоэмоционального статуса и когнитивных способностей. Оно ни на что не влияет, а происходит, вероятно, из-за перераспределения жидкостей в организме (физиологической адаптации). Причины же, по которым условия космоса не приводят к уменьшению объема сенсомоторной коры, до сих пор не были известны.
Ученые из Национального медицинского исследовательского центра психиатрии и наркологии имени В.П. Сербского (Москва) с коллегами изучили влияние ионизирующего излучения на пластичность мозга — его способность изменять свою структуру и функции в ответ на опыт, обучение или травму — и на обеспечение нейронов факторами роста в участке сенсомоторной коры.
Авторы провели эксперименты на 28 крысах. Животных разделили на четыре группы (в каждой по семь крыс): две контрольные и две экспериментальные. Одна пара групп — контрольной и экспериментальной — была нужна для исследования поведения, а вторая — для получения данных о содержании нейротрофинов — белков, которые поддерживают жизнеобеспечение и развитие нейронов.
Чтобы воссоздать эффект радиационного воздействия, с которым столкнутся космонавты в ходе реализации дальних космических миссий, исследователи в течение 24 часов облучали крыс экспериментальной группы γ-квантами (поглощенная доза 400 мГр была набрана за 24 часа непрерывного облучения). Это повысило чувствительность нервной ткани к излучению. Затем головы животных облучили потоком высокоэнергетических ядер углерода-12 (в этом случае поглощенная доза достигла 140 мГр). Суммарная эквивалентная доза оказалась примерно в три раза больше, чем та, которую получают космонавты за год пребывания на МКС. В течение семи месяцев ученые наблюдали за животными: дважды провели поведенческий анализ и сделали МРТ — через неделю и семь месяцев после облучения.
Изучая поведение крыс в большом цилиндрическом боксе, исследователи обнаружили, что облученные животные проходят на 56% большее расстояние, на 65% чаще встают в ориентировочные стойки, однако на 73% дольше задерживаются перед выходом в центральную зону поля по сравнению с необлученными животными. Вместе с тем, когда ученые поместили в бокс новый объект — скульптуру японского бога Хотэя — облученные крысы на 95% чаще подходили к этому объекту и проводили около него на 117% больше времени. Авторы выявили, что облучение привело к высокой двигательной активности грызунов, их активному ориентировочно-исследовательскому поведению и поиску новизны, а также к росту ситуативной тревоги. Эти изменения наблюдались на третий день после облучения и вернулись к нормальному состоянию через семь месяцев. Исследователи продолжат работу, чтобы выяснить молекулярные механизмы такого переключения в центральной нервной системе.
Второй паре групп крыс (контрольной и экспериментальной) авторы провели иммунофлуоресцентный анализ для оценки концентрации нейротрофинов в сенсомоторной коре. Оказалось, что при действии ионизирующего излучения количество этих белков увеличивается: нейротрофина-3 на 40% и нейротрофина-4 на 68% по сравнению с показателем у необлученных крыс. Это может быть одним из факторов, благодаря которым ионизирующее излучение препятствует истончению сенсомоторной коры. Однако причиной изменений может быть и вызванное излучением увеличение двигательной активности крыс.
«Хотя в условиях космоса мы наблюдаем уменьшение объема всех структур мозга, кроме сенсомоторной коры, есть предположение, что эти изменения происходят из-за микрогравитации, а не воздействия ионизирующих излучений. Космическое излучение, вероятно, не обязательно влечет за собой функциональные нарушения центральной нервной системы. Более того, нам удалось открыть феномен развития нейронов, вызванный радиационным излучением. Возможно, этот феномен может быть использован как физиотерапевтический подход в лечении некоторых заболеваний центральной нервной системы: болезни Паркинсона, инсульта, эпилепсии и других. Проверить эту гипотезу — наша первостепенная задача на будущее», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Виктор Кохан, старший научный сотрудник лаборатории психофармакологии НМИЦ психиатрии и наркологии имени В.П. Сербского.
В исследовании также принимали участие сотрудники Института физики высоких энергий имени А.А. Логунова НИЦ «Курчатовский институт» (Протвино), Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва).
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда