Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2023, T. 109, № 4, стр. 399-423

ВВЕДЕНИЕ

Термин “гипоксия” (кислородное голодание; крайняя степень проявления гипоксии – аноксия) означает недостаточное снабжение тканей О₂ или нарушение его утилизации при биологическом окислении. Гипоксические состояния головного мозга наблюдаются при многих неврологических расстройствах (транзиторные ишемические атаки, инсульт, черепно-мозговая травма, кровотечение, перинатальная энцефалопатия, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и др.) [1, 2]. Несмотря на многолетние исследования, лечение и профилактика гипоксических/ишемических поражений головного мозга остаются серьезной медицинской проблемой. Как известно, одним из способов установления мишеней для разработки терапевтических вмешательств может служить изучение механизмов повреждения и гибели нейронов [1, 3]. Альтернативным подходом к проведению поисковых исследований является установление стратегии выживания толерантных к гипоксии нейронов [3]. Миллионы лет эволюции породили устойчивых к дефициту О₂ позвоночных [4]. Детализация механизмов переносимости гипоксии успешно выживающих при О₂-голодании видов может не только обеспечить фундаментальные представления об экофизиологии экстремальных условий обитания, но и определить пути смягчения гипоксической катастрофы для отдельных нейронов в лишенном О₂ мозге [5].

УСТОЙЧИВОСТЬ МОЗГА К О₂-ГОЛОДАНИЮ

Универсальным правилом энергетического обмена при нормоксии и гипоксии является уравновешивание спроса и предложения АТФ [4, 6]. Другое универсальное требование заключается в интеграции метаболизма и функций мембран клеток [6]. Вероятно, основной причиной ограниченной толерантности мозга к гипоксии/аноксии является высокая потребность нейронов в энергии в сочетании с неспособностью снизить ее потребление при ограниченной выработке. При снижении уровня О₂ и последующем прекращении окислительного фосфорилирования мозг вынужден прибегать к менее эффективному анаэробному производству энергии (гликолизу) как к единственному источнику продукции АТФ. Как правило, гликолитические механизмы устойчивых позвоночных поддерживаются запасами гликогена в мозге, которые во много раз превышают аналогичные запасы не переносящих аноксию животных [7, 8]. В свою очередь, при длительной гипоксии/аноксии в неустойчивом к О₂-голоданию мозге активность ключевых гликолитических ферментов подавляется [9].

У “обычных”, неустойчивых позвоночных уровень АТФ в мозге резко падает в течение нескольких минут О₂-голодания [4]. Вследствие снижения количества АТФ, работа Na⁺/K⁺-АТФ-аз замедляется или останавливается, приводя к массированному оттоку из клетки ионов K⁺. Вскоре количество внеклеточного К⁺ достигает достаточно высокой концентрации, обеспечивающей деполяризацию мембран нервных клеток. При деполяризации в нейроны начинают проникать ионы Na⁺ и Ca²⁺; такое проникновение ионов стимулируется сопутствующим высвобождением возбуждающих нейротрансмиттеров, глутамата и аспартата, которые опосредуют повреждение и гибель нервных клеток [10]. Основным путем проникновения Са²⁺ в клетки являются активируемые глутаматом NMDA-рецепторы. Результирующий вход Ca²⁺ приводит к активации гидролиза фосфолипидов (включая структурные повреждения пре- и постсинаптических мембран и нарушение рецепторной сигнализации), образованию свободных радикалов [10]. Длящиеся более нескольких минут упомянутые выше события приводят к необратимым последствиям, которые заканчиваются гибелью большинства позвоночных после достаточно короткого периода О₂-голодания.

Основным отличием устойчивых от чувствительных к гипоксии/аноксии видов является способность их мозга в ответ на снижение уровня О₂ предотвращать истощение АТФ, нивелировать последствия энергетического сбоя, сохранять ионные градиенты [11] и поддерживать гомеостаз [12]. Предполагают, что сама гипоксия создает такую систему, в которой падение уровня О₂ автоматически вызывает повышение уровня тормозных нейротрансмиттеров/медиаторов, снижающих возбуждение и обеспечивающих метаболическую депрессию [13]. Вероятно, в условиях О₂-голодания подавление энергетического обмена путем изменения внутриклеточных метаболических путей (метаболическая депрессия, “metabolic arrest”, гипометаболическое состояние) и электрических свойств мембраны (через ряд перекрывающихся механизмов: “channel arrest,” “spike arrest,” и “synaptic arrest”) представляют собой принципиальную схему защиты мозга [14–16].

По-видимому, метаболическая депрессия является практически универсальной стратегией выживания толерантных животных/видов [15]. Детали механизма ограничения метаболизма устойчивых животных долгое время остаются ускользающими от четкой идентификации. Поскольку именно нейромедиаторы играют центральную роль в синаптической коммуникации, контролируют деятельность мозга и координируют его адаптивные реакции, предполагают, что повышение внеклеточного содержания тормозных аминокислот может быть одним из тех самых неуловимых звеньев аппарата подавления электрической активности и потребления энергии в лишенном О₂ мозге [17]. При экспозиции к гипоксии/аноксии устойчивые виды животных демонстрируют достаточно сходные изменения медиаторного аминокислотного пула в виде повышения уровня ГАМК (γ-аминомасляная кислота) и глицина на фоне снижения уровня возбудительного медиатора глутамата и его предшественника глутамина [18]. Кроме того, у отдельных видов также повышается концентрация ингибирующего синаптическую передачу таурина [18]. Напротив, у видов с низкой переносимостью О₂-голодания ГАМК является единственной тормозной аминокислотой, количество которой нарастает, в то время как концентрации глутамата и глутамина остаются неизменными или даже увеличиваются [18]. Очевидно, повышенный уровень тормозных аминокислотных медиаторов – ГАМК, глицина и таурина в сочетании со сниженной концентрацией возбуждающей аминокислоты глутамата способствует ограничению электрической активности и потребления энергии как ключевой стратегии выживания в условиях О₂-голодания мозга. Кроме того, считается, что продукция ГАМК при аноксии защищает нервные клетки от гибели в результате экцитотоксического повреждения [19]. Существует высокая вероятность того, что при гипоксии в мозге неустойчивых видов другие тормозные медиаторные механизмы не функционируют, что заставляет обратить более пристальное внимание именно на ГАМКергической систему.

Очевидно, что опосредуемая ГАМК метаболическая депрессия доступна всем позвоночным [13]. Однако, поскольку большинство позвоночных достаточно быстро умирают при гипоксии/аноксии, по-видимому, они не успевают извлечь выгоду из обеспечиваемой ГАМК гипометаболического состояния и/или относительного падения уровня глутамата [13]. Хотя большая часть современных позвоночных не может компенсировать энергетический сбой путем активации анаэробного гликолиза, вместе с тем многие виды обладают такими метаболическими характеристиками, которые позволяют им справляться с более умеренной гипоксией. Так или иначе, в ситуации О₂-голодания шансы на выживание отдельного организма существенно возрастают при условии экономии топлива (гликогена) за счет перехода к метаболической депрессии [13].

БИОХИМИЯ И РЕЦЕПТОРЫ ГАМК

ГАМК является одним из наиболее важных медиаторов/трансмиттеров ЦНС позвоночных животных, функционирующая в зрелом мозге в качестве тормозного агента за счет изменения проницаемости клеточной мембраны к ионам Cl^–. В развивающемся мозге ГАМК обеспечивает процесс возбуждения и оказывает нейротрофическое действие [20]. Известно, что около 20–40% всех нейронов ЦНС позвоночных являются ГАМКергическими [13].

Синтез ГАМК (рис. 1) включает метаболические пути митохондриального цикла трикарбоновых кислот (ТСА) [21]. Гидролиз глутамина под действием фосфатактвируемой глутаминазы (PAG) приводит к образованию глутамата (глутаминовой кислоты) в митохондриальном матриксе. Синтез ГАМК осуществляется цитозольным ферментом декарбоксилазой глутаминовой кислоты (GAD) из глутамата путем ее декарбоксилирования. ГАМК образуется либо непосредственно из глутамата либо из глутамата, произведенного из α-кетоглутарата, который синтезируется в цикле ТСА из дезаминированного глутамата с участием глутаматдегидрогеназы (GDH).

Рис. 1.

Пути синтеза ГАМК. Glutamine – глутамин, glutamate – глутамат, ТСА cycle – цикл трикарбоновых кислот, acetylCoA – ацетилкофермент А, α-ketoglutarate – α-кетоглутарат, GABA – ГАМК, SSA – янтарный полуальдегид, succinate – сукцинат, AAT – аспартатаминотрансфераза, GABA-T – ГАМК-трансаминаза, GAD – глутаматдекарбоксилаза, GDH – глутаматдегидрогеназа, PAG – фосфатактвируемая глутаминаза, SSADH – дегидрогеназа янтарного полуальдегида. Шунт ГАМК (обозначен зеленым цветом) состоит из трех ферментативных реакций, катализируемых GAD, GABA-T и SSADH.

ГАМКергическая система мозга включает в себя достаточно обширный аппарат в виде ионотропных ГАМК(А)- и метаботропных ГАМК(В)-рецепторов, транспортеров, упоминавшихся выше ферментов синтеза – глутаматдекарбоксилаз (gads – цитоплазматическая GAD67 и GAD65, локализованная преимущественно в пресинаптических терминалях), 4-аминобутиратаминотрансферазы (abat) и ассоциированных белков [22]. ГАМК(А)-рецепторы состоят из пентамерного агрегата отдельных субъединиц, образующих центральный ионный канал, который проницаем для хлоридных и, в меньшей степени, бикарбонатных анионов [20]. В физиологических условиях активация постсинаптических ГАМК(А)-рецепторов вызывает гиперполяризацию мембраны и уменьшает величину потенциала действия. ГАМК также действует на ГАМК(В)-рецепторы, локализованные на пре- и постсинаптических мембранах. Активация пресинаптических ГАМК(В)-рецепторов снижает высвобождение нейротрансмиттера за счет ингибирования потенциал-зависимых Ca²⁺-каналов N- или P/Q-типа. В свою очередь, активация постсинаптических ГАМК(В)-рецепторов вызывает активацию К⁺-каналов внутреннего выпрямления (GIRK или Kir3), которые играют важную роль на поздней фазе генерации тормозного постсинаптического потенциала.

ГАМКергическая передача сигналов является одним из основных путей, которые способствуют выживанию нейронов при гипоксии/аноксии за счет подавления клеточной возбудимости [16]. Кроме того, предполагается, что именно фактор гипоксии осуществляет эволюционный отбор и консервацию двух основных медиаторных систем мозга – тормозной ГАМКергической и возбуждающей глутаматергической [13]; частным проявлением баланса двух медиаторных систем служат реципрокные отношения ГАМК и глутамата при гипоксии [18, 23].

ГАМК может служить не только агентом, функции которого сводятся к обеспечению метаболической депрессии [24]. В частности, длительное, многомесячное выживание эмбрионов киллифиш Austrofundulus limnaeus в условиях аноксии связывают с накопление миллимолярных количеств ГАМК [25]. Такое количество медиатора является избыточным, превышающим нейропротекторную концентрацию. Накопление ГАМК (в 1000 раз больше, чем у других устойчивых к аноксии видов) предполагает множественные или совершенно новые, выходящие за рамки нейротрансмиссии функции. Предполагают, что при аноксии и аэробном восстановлении (реоксигенации) ГАМК может выступать одновременно в качестве медиатора и антиоксиданта [19]. Кроме того, ГАМК может использоваться в качестве энергетического субстрата [19] в так называемом шунте ГАМК при превращении ее в янтарный полуальдегид (SSA) ГАМК-трансаминазой (GABA-T) (рис. 1). Далее SSA преобразуется SSA-дегидрогеназой (SSADH) в сукцинат, компонент цикла TCA, и NADH, которые являются донорами электронов митохондриальной цепи с конечным продуктом в виде АТФ.

Кроме нейронов, синтез ГАМК осуществляется клетками глии [26]. В частности, предполагается, что ГАМК может синтезироваться астроцитами GAD-независимым путем, который требует наличия путресцина в качестве исходного субстрата. Кроме ГАМК астроциты синтезируют и высвобождают другие медиаторы (так называемые глиотрансмиттеры) и таким образом способны модулировать возбудимость и синаптическую передачу нервных клеток [26]. Глиальная ГАМК играет особую роль в развивающемся мозге. Астроциты взрослого мозга служат источником тормозного медиатора, взаимодействующего с тоническими ГАМК-рецепторами нейронов и обеспечивающего нейронально-глиальные взаимодействие. Например, в мозжечке глиальные клетки могут высвобождать ГАМК во внеклеточное пространство и тонически активировать высокоаффинные ГАМК(А)-рецепторы нейронов посредством объемной передачи, поддерживая стойкий тормозной тонус в этой области мозга [27, 28]. Предполагают, что высвобождение ГАМК из клеток глии может быть также напрямую связано с рядом патологических состояний мозга [29].

ПОЧЕМУ НИЗШИЕ ПОЗВОНОЧНЫЕ ЛУЧШЕ ПРИСПОСОБЛЕНЫ К ГИПОКСИИ/АНОКСИИ?

По сравнению с высшими позвоночными, низшие позвоночные оказались более устойчивы к варьирующей средовой доступности О₂, выживая при полной аноксии в течение длительного времени [30]. В процессе эволюции именно низшие позвоночные реализовали основную триаду – способность к метаболической депрессии, толерантность к повышенным концентрациям побочных продуктов метаболизма, способность избегать и/или восстанавливать клеточные повреждения после реоксигенации, что позволяет им переносить аноксию намного лучше, чем птицам и млекопитающим [30]. Такие животные существенно расширили свои возможности для борьбы с острой и хронической гипоксией/аноксией через целый комплекс приспособлений, которые практически отсутствуют у других позвоночных [31]. Причем, следует отметить, что репертуар путей адаптации низших позвоночных к варьирующему уровню О₂ оказался весьма разнообразным [31] и вызывает особый научный интерес, поскольку скорость метаболизма мозга низших позвоночных сопоставима с таковой у млекопитающих при схожей температуре.

ГАМКергические механизмы устойчивости мозга к гипоксии/аноксии

I. Класс Круглоротые (Cyclostomata): подкласс Миксины (Myxini), подкласс Миноги (Petromyzontiformes). Преставители круглоротых, миксины и миноги являются одними из самых древних позвоночных, которые приобрели современный внешний вид около 500 миллионов лет назад [32]. Круглоротые представляют наиболее примитивную группу современных позвоночных, которые лишены челюстей и парных конечностей. Наряду с этим им свойственен ряд весьма своеобразных черт, в известной мере связанных со специализацией, обусловленной полупаразитическим или настоящим паразитическим образом жизни. По внешнему виду и отчасти по биологии круглоротые близки к рыбам, но ряд черт их организации указывает на определенную обособленность и принадлежность к особой ветви позвоночных.

Миксины обитают в соседствующих с донными отложениями обедненных О₂ слоях воды, остаются активными даже при РО₂ ниже 3 кПа [33], способны переживать 36-часовое воздействие полной аноксии при 10°C [34], могут прекращать вентиляцию на несколько часов при зарывании в грунт [35], что заставляет считать их одними из самых устойчивых позвоночных. Минога Entosphenus tridentatus способна поддерживать постоянный уровень потребления О₂ (VO₂) при падении его напряжения (PwO₂), скорость VO₂ оставалась неизменной даже при снижении PwO₂ до 10 мм рт. ст. как при 15°С, так и 5°С [36]. Отмечаемый при аноксии уровень потребления О₂ позволяет предположить, что миксины активно используют практически двукратное подавление скорости метаболизма для повышения своей выживаемости [34]. Косвенным указанием на степень приспособления миксин и миног к выживанию в условиях гипоксии/аноксии служат резервы гликогена не только в мозге, но и мышцах [33, 37, 38], которые также могут быть частично задействованы в период преднерестового голодания. В настоящее время в литературе не представлены неоспоримые данные об привлечении ГАМК либо других медиаторных систем к обеспечению устойчивости мозга этих животных в условиях О₂-голодания, однако можно привести некоторые данные, касающиеся обустройства ГАМКергической системы бесчелюстных.

Мозг миног обнаруживает большое сходство с мозгом Gnathostomata. Такого рода высокая степень консервации архитектуры мозга не очевидна при первом взгляде, поскольку сама морфология мозга миноги сильно отличается от известной морфологии мозга челюстноротых [39]. Показано, что ГАМКергическая система взрослых миног представлена множеством ГАМК-иммунореактивных клеток [40]. Сравнение мозга двух видов – морской Petromyzon marinus и речной Lampetra fluviatilis миног – демонстрирует общность распределения и локализации ГАМКергических нейронов в переднем мозге и стволе головного мозга взрослых животных [41]. Поскольку отряд миног ответвился от общего эволюционного древа позвоночных около 450–500 млн лет назад, отмечаемое сходство в распределении ГАМК в мозге круглоротых и представителей других классов позвоночных, включая млекопитающих, означает, что в процессе эволюции был выработан кардинальный план ГАМКергической архитектуры различных отделов мозга, начиная с самых примитивных позвоночных. Кроме того, мозг миног характеризуется совместной локализацией ГАМК с другими тормозными медиаторами, в частности, серотонином serotonin, в пределах одних и тех же нейронов [42]. Серотонин-ГАМКергические нейроны имеют более широкое представительство в мозге миног по сравнению с мозгом млекопитающих, которое могло появиться у примитивных позвоночных еще до разделения общего эволюционного пути бесчелюстных и челюстноротых. Кроме того, дополнительная совместная локализации ГАМК и дофамина в отдельных дофаминергических ядрах мозга (присутствие ГАМК не менее, чем в 25% ДА-иммунореактивных нейронов) свидетельствует о возможном одновременном высвобождении ГАМК и дофамина [43]. Очевидно, что совпадающее во времени и локусе высвобождение ГАМК с другими тормозными медиаторами может повышать мощность и эффективность механизма, обеспечивающего метаболическую депрессию при аноксии.

Для тканей мозга всех позвоночных – от бесчелюстных до млекопитающих – характерно выраженное связывание радиолиганда [³H]ГАМК и конкурентного антагониста бикукуллина с ГАМК-рецепторами [44]. Вместе с тем ткани мозга миксин связывают в два раза больше [³H]ГАМК, чем ткани следующего по “эволюционному старшинству” вида – колючей акулы Squalus acanthias [44]. Мозг представителей других классов позвоночных связывал примерно одинаковое количество [³H]ГАМК, которое составляло всего от одной трети до одной четверти регистрируемого у миксин. Хотя количество ГАМК-рецепторов миксин составляют всего 1/10 от общего числа рецепторов на единицу ткани мозга других позвоночных, однако упомянутые рецепторы обладают примерно в 20 раз большим сродством к ГАМК. После обработки тканей мозга тритоном X-100 (позволяет удалять эндогенные модуляторы аффинности рецепторов) у миксин наблюдалось наименьшее количество ассоциировавшейся с рецепторами [³H]ГАМК (докинг); вместе с тем у представителей других таксонов позвоночных степень связывания [³H]ГАМК под действием тритона X-100 увеличивалась с повышением таксона. По-видимому, в процессе эволюции бесчелюстных в молекуле рецептора возник чувствительный к тритону X-100 сайт, который способен существенно изменить кинетические свойства ГАМК-рецепторов миксины в сторону повышения их сродства к лиганду.

Таким образом, можно предположить, что обладающий классической ГАМКергической системой мозг устойчивых к аноксии бесчелюстных заручается своеобразной дополнительной поддержкой других тормозных медиаторов на фоне экстремально высокой аффинности ГАМК-рецепторов к лиганду.

II. Класс Хрящевые рыбы (Chondrichthyes), надотряд Акулы (Selachii). Самые древние представители акул появились примерно 450–420 млн лет назад. В настоящее время известно более 450 видов акул, которые населяют практически все моря и океаны на глубинах до 2000 м; причем отдельные виды способны жить в пресной воде. Особенностью акул считается отсутствие жаберных крышек, которые у рыб позволяют прогонять воду сквозь жабры. Для обеспечения вентиляции жабр (дыхания) акулы вынуждены находиться в постоянном движении, захватывая и прокачивая через приоткрытую пасть воду, затем удаляя ее через жаберные щели.

Эполетная акула (глазчатая эполетная (эполетовая) акула, глазчатая кошачья акула, Hemiscyllium ocellatum) обитает в водах прибрежного мелководья тропических рифов на глубинах до 50 м, передвигаясь преимущественно с использованием грудных плавников, которые позволяют ей буквально “ползать” по дну на малой глубине. В период отлива эполетная акула зачастую оказывается отрезана от океана. При ночных отливах за счет дыхания кораллов и связанных с ними организмов [O₂] может критически снижаться, создавая условия тяжелой severe гипоксии (5% O₂, что соответствует ~0.34 мг O₂/л) или даже even аноксии при температуре 25–30°C [45–48]. Очевидно, что эполетная акула постоянно находится в режиме естественного гипоксического прекондиционирования (метаболической адаптации). Гипоксическое прекондиционирование акулы предопределяет/обеспечивает снижение скорости ее метаболизма и критических значений PO₂ [46]. На фоне О₂-голодания акулы способны отключать некоторые функции мозга без признаков его повреждения, включая возможность отсрочки запуска апоптоза [47, 49]. В отличие от млекопитающих, черепах и костистых рыб гипоксия не вызывает увеличения мозгового кровотока эполетной акулы. Напротив, в условиях О₂-голодания системное артериальное давление акулы снижается приблизительно на 50% на фоне сопутствующих церебральной вазодилатации и брадикардии [50]. Экспозиция эполетной акулы к более жесткой гипоксии (0.39 мг О₂/л) в течение 3.5 ч не изменяет основные показатели неврологических функций [45]. Реакция восстановления (рефлекс восстановления), позволяющая скорректировать ориентацию тела акулы при утрате нормального положения (равновесие в ответ на гипоксию), временно нарушалась только после 4 ч гипоксии; при реоксигенации рефлекс удавалось восстановить в течение 30 мин. Вместе с тем приблизительно после 40 мин аноксии (полного отсутствия О₂) эполетные акулы полностью переставали реагировать на раздражители и утрачивали восстановительный рефлекс, одновременно успешно сохраняя уровень АТФ в тканях мозга [49]. Отмечается, что для данного вида акул характерна выраженная градуированная реакция на гипоксию, которая предполагает существенное повышение уровня анаэробного метаболизма [45]. Одновременно снижение РО₂ сопровождается 3.5-кратным увеличением уровня аденозина в мозге акулы [49]. Обычно у устойчивых к гипоксии/аноксии видов высокий уровень аденозина выступает триггером отключения энергозатратных клеточных процессов [51], регулирует скорость гликолиза, стимулирует мозговой кровоток и инициирует запуск механизма метаболической депрессии [12, 52, 53]. Было показано, что при нормоксии перфузат с аденозином увеличивает скорость кровотока в мозге акулы, однако при гипоксической артериальной гипотензии антагонист аденозиновых рецепторов аминофиллин не смог оказать заметного влияния на поддержку мозгового кровообращения [50]. По-видимому, в отличие от большинства других позвоночных животных, аденозин не играет заметной роли в механизмах гипоксической церебральной вазодилатации эполетной акулы.

При гипоксии/аноксии общий уровень ГАМК в мозге акулы остается практически неизменным [54, 55]; вместе с тем в региональном распределении ГАМК происходят значительные сдвиги. Было показано, что [ГАМК] заметно повышалась в двигательных ядрах и в отдельных сенсорных ядрах (двигательное ядро X черепно-мозгового нерва, гребень мозжечка, нижнее ядро оливы, нижнее ретикулярное ядро, медиальный продольный пучок), одновременно оставаясь практически на постоянном уровне в обеспечивающих реакцию настороженности сенсорных ядрах [1, 12]. Локализация ГАМК в тканях точно соответствовала сниженной активности цитохромоксидазы, что связывают с падением интенсивности метаболизма нейронов [12, 48].

Гипоксическое прекондиционирование эполетной акулы не только способствует значительному увеличению [ГАМК], но и плотности распределения ГАМК-рецепторов в отдельных структурах мозга [12], в частности, в мозжечке [54, 55]. По-видимому, такое сочетание увеличения количества и аффинности ГАМК-рецепторов должно снижать вероятность возникновения фиксации потенциала либо гиперполяризации мембраны нейронов, что обеспечивает значительную экономию энергии [12], а также реализует защитную функцию при реоксигенации на фоне меньшего высвобождения ГАМК [55]. Кроме того, оказалось, что акулы являются единственными позвоночными животными, ГАМК(А)-рецепторы которых обладают специфической субъединицей с бензодиазепин-связывающим участком менее 53 кДа [56]. Очевидно, ГАМК(А)-рецепторы пластинчатожаберных структурно отличаются от ГАМК(А)-рецепторов других позвоночных, включая утративших такую субъединицу костистых рыб. Кроме того, плотность распределения ГАМК-рецепторов на мембране нервных клеток мозжечка эполетной акулы примерно в 3 раза выше, чем у акулы – морской собаки (обыкновенная кошачья акула, мелкопятнистая кошачья акула, Scyliorhinus canicula) [55], для которой критическая [O₂] составляет приблизительно 4.5 мг/л. Вероятно, именно такая высокая плотность аппарата ГАМК-рецепторов мозжечка эполетной акулы определяет упоминавшуюся выше утрату равновесия тела при аноксии на фоне высвобождения медиатора.

При гипоксии/аноксии изменение баланса между ГАМК- и глутаматергическими системами может служить обеспечению метаболической депрессии в отдельных областях мозга эполетной акулы [1]. В то же время предполагается, что сохраняющийся абсолютный уровень глутамата необходим для восстановления активности нейронов при реоксигенации [1, 12].

Таким образом, можно заключить, что, в то время как все известные на сегодняшний день устойчивые к гипоксии и аноксии виды позвоночных реагируют на низкий уровень О₂ повышением уровеня ГАМК в мозге, филогенетически “старая” эполетная акула использует альтернативный, “адресный” тормозный механизм для сохранения энергии в ядрах мозга [55]. Нейропротекторные механизмы акул в виде изменения регионального распределения ГАМК способствует защите от повреждения жизненно важных областей мозга при О₂-голодании и последующей реоксигенации [12].

III. Класс Костные рыбы (Osteichthyes), инфракласс Костистые рыбы (Teleostei). Обитатели соленых и пресных водоемов, костные рыбы, произошли от хрящевых рыб и составляют самый многочисленный по видам класс позвоночных животных (почти 30 000 видов). Костных рыб разделяют на костно-хрящевых, двоякодышащих, кистеперых и костистых; к последним относится большинство современных рыб. Костистые рыбы составляют эволюционную группу, появившуюся около 435 млн лет назад.

Мозг костистых рыб имеет сходную с мозгом млекопитающих удельную скорость метаболизма [57], а отдельные виды рыб обладают такой же высокой степенью чувствительности к аноксии, которая характерна для высших позвоночных. Так, подобно мозгу млекопитающих, под воздействием аноксии мозг форели (Oncorhynchus mykiss) достаточно быстро утрачивает ионный гомеостаз и массово высвобождает обладающий эксцитотоксическим эффектом глутамат [58]. Вместе с тем в отличие от крайне чувствительных к О₂-голоданию видов Teleostei существуют ряд представителей этого таксона, демонстрирующих рекордную переносимость гипоксии/аноксии (карась Carassius carassius, золотая рыбка Carassius auratus, горчак Rhodeus sericeus) [59–62]. Один из уникальных приспособительных механизмов таких устойчивых видов позволяет им при недостатке О₂ избавляться от продуктов анаэробного гликолиза, что связано с экзотической способностью мышечной ткани превращать конечный продукт анаэробного распада глюкозы лактат в этанол [59–61]. В условиях аноксии все ткани рыб, включая мозг, производят лактат, который транспортируется с кровью к мышцам. Из мышц образовавшийся из лактата этанол высвобождается обратно в кровь, транспортируется к жабрам, которые экскретируют его из организма рыб. В условиях аноксии общее содержание этанола в крови устойчивых видов не поднимается выше стабильного уровня ~10 мМ, что позволяет избежать подавления активности нервных клеток [63]. Такое устройство метаболизма обеспечивает выживание при длительной аноксии без накопления лактата и последующего ацидоза.

Костистые рыбы имеют хорошо развитую ГАМКергическую систему мозга. Экспрессия ГАМК одновременно с катехоламинами и серотонином отмечается уже в первичных популяциях клеток нейромеров мозга эмбрионов [64]. В ЦНС эмбрионов Danio rerio ГАМК присутствует в ядрах конечного мозга, вентральной части промежуточного и среднем мозге [65]. По мере развития эмбриона количество ГАМК-иммунореактивных нейронов постепенно нарастает [66], что указывает на определенную роль ГАМК в качестве нейротрофического фактора, предполагает ее участие в синаптогенезе и дифференцировке нейронов на ранних стадиях развития рыб [67, 68]. В головном мозге взрослых особей D. rerio ГАМК-иммунореактивные клетки (GABA-IR) присутствуют в обонятельной луковице, конечном мозге, тектуме и гипоталамусе [65]. Спектр распределения мРНК субъединиц ГАМК(А)-рецепторов по отдельным компартментам придает сходство мозгу D. rerio с мозгом млекопитающих [22]. Кроме того, у D. rerio были идентифицированы три изоформы глутаматдекарбоксилаз (GAD), две из которых – gad1a и gad1b – напоминают GAD67 ГАМКергических нейронов млекопитающих, третья – gad2 – гомологична GAD65, локализованной в нервных терминалях высших позвоночных [22]. В мозге Carassius auratus ГАМК распределяется по компартментам мозга сходным образом и наиболее плотно скапливается по его средней линии [69]. Широкое представительство ГАМКергических нейронов в разных ядрах мозга Teleostei указывает на значимость ГАМК как одного из основных трансмиттеров и предполагает подобие организации медиаторных систем костистых рыб и высших позвоночных животных.

Аноксия способна одновременно воздействовать на разные медиаторные системы (включая ГАМКергическую систему) мозга рыб, отличающихся метаболической стратегией выживания [10]. Золотая рыбка объединяет преобразование лактата в этанол с метаболической депрессией (гипометаболизм), тиляпия Oreochromis mossambicus сочетает анаэробный гликолиз с гипометаболизмом, а карп Cyprinus carpio использует интенсивный анаэробный гликолиз для производства энергии. Для золотой рыбки был определен 8-часовой период экспозиции. Длительность нахождения в условиях аноксии для тилапии и карпа была выбрана до момента утраты равновесия и проявления реакции избегания (2 ч для тилапии, 30 мин – для карпа). Примечательно, что паттерн содержания аминокислот в мозге рыб наиболее существенно изменялся именно у толерантных к аноксии золотых рыбок [10]: уровень глутамата, глутамина снижался, а концентрация глицина, аланина, ГАМК (на 48.8%), серина повышалась. Тилапия характеризовалась промежуточным типом реакции, при которой достоверно возрастало содержание глицина, аланина, ГАМК (на 27%), серина [10]. В мозге неустойчивого к аноксии карпа изменения концентрации аминокислот были минимальны за исключением понижения уровня глутамина glutamine. Очевидно, независимо от избираемой метаболической стратегии выживания устойчивость мозга к гипоксии/аноксии поддерживается в первую очередь ГАМКергической системой.

О₂-голодание на протяжении 5 ч крайне устойчивого карася Carassius carassius приводили к удвоению количества высвобождаемой ГАМК в конечном мозге [70]. При более длительной аноксии (в течение примерно двух недель) [ГАМК] продолжала нарастать и увеличивалась приблизительно в 5 раз [71, 72]. Было установлено, что изменение [ГАМК] подвержено значительной индивидуальной вариабельности, что может указывать на участие этого медиатора в механизмах очень тонкой настройки подавления электрической активности ЦНС при аноксии [70]. Кроме того, потенциальные возможности объемов высвобождения ГАМК значительно превышали таковые для глутамата. Деполяризация тканей мозга путем перфузии раствором Рингера с высокой [K⁺] сопровождалась увеличением внеклеточного уровня ГАМК в 14 раз, в то время как количество глутамата в заданных условиях едва удваивалось [70]. Соотношение количества глутамата и ГАМК свидетельствует о способности мозга карася избегать высвобождения глутамата в “эксцитотоксическом количестве”. Ингибирование гликолиза в конечном мозге карася при введении йодоацетата (IAA) заставило не только стремительно снизить уровень, но и обеспечило быстрое массированное высвобождение ГАМК (10-кратное увеличение через 30 мин) относительно глутамата (в 3 раза через 2 ч) [70]. Полученные результаты свидетельствуют о сопряжении развивающегося при гипоксии/аноксии дефицита энергии со значительным выбросом ГАМК, что обеспечивает достаточно сильное угнетение электрической активности нейронов и позволяет восстановить уровень АТФ.

При дефиците О₂ динамика высвобождения и количество высвобождаемых медиаторов существенно различаются у видов рыб с разной степенью устойчивости к гипоксии/аноксии. В мозге неустойчивой форели Oncorhynchus mykiss выход глутамата предшествовал высвобождению ГАМК, начинаясь через 45–60 мин аноксии, в то время как уровень ГАМК не повышался до 90–105 мин экпозиции [58]. У карася аноксия запускала обратную динамику событий в виде существенного увеличения внеклеточной ГАМК в течение первых 30 мин аноксии, в то время как глутамат еще не достигает статистически значимого повышения вплоть до 90-й мин О₂-голодания [70]. По-видимому, толерантные виды рыб способны отсрочить и ограничить выход глутамата до того момента, когда будет реализован накопительный нейропротекторный эффект быстрого и массированного высвобождения ГАМК.

IV. Класс Земноводные (Amphibia): отряд бесхвостых земноводных (Anura), семейство Лягушковые (Ranidae). Амфибии появились более 370 млн лет назад и считаются переходной эволюционной стадией между рыбами и рептилиями. Подобно пресноводным черепахам и карасям, зимующие лягушки сталкиваются с тяжелой гипоксией/аноксией при зимовке в покрытых льдом прудах и озерах [73]. Полагают [74–76], что отдельные виды лягушек (Rana temporaria, Rana pipiens) обладают промежуточной степенью чувствительности к аноксии между чувствительностью млекопитающих и толерантностью к аноксии черепах и карася. Североамериканская леопардовая лягушка Rana pipiens время от времени “ныряет” в лишенные О₂ слои воды от хищников и выдерживает аноксию в течение нескольких дней при 3–5°C [74]. Европейская обыкновенная лягушка Rana temporaria демонстрирует аналогичную степень устойчивости к О₂-голоданию [75]. Мозг R. temporaria и R. pipiens способен пережить 4–5 ч в отсутствие О₂ при комнатной температуре [74, 77] и выдержать не менее 30 ч аноксии при 5°C [76]. При гипоксии/аноксии рефлексы земноводных постепенно утрачиваются, спустя некоторое время развивается состояние полного паралича [75].

В условиях аноксии (100% N₂) при комнатной температуре содержание АТФ в мозге лягушек снижается достаточно медленно в течение примерно 3 ч [73, 77]. При низком содержании О₂ (PO₂ воды 30–60 мм рт. ст.) лягушки могут поддержать определенный уровень АТФ до 16 недель [74, 77]. Развивающееся при аноксии падение [АТФ] до 35% от нормоксического уровня нарушает ионный гомеостаз, когда концентрация внеклеточного K⁺ ([K⁺]_o) начинает постепенно нарастать [77]. В дальнейшем медленное увеличение [К⁺]_о приводит к еще большему его повышению с последующим высвобождением глутамата и ГАМК. Таким образом, “медленная смерть мозга лягушки” при аноксии (slow death of the anoxic frog brain) наделена всеми признаками острой энергетической недостаточности, которая характерна для млекопитающих, но разворачивается в более длительном временном масштабе [73, 77].

Коллапс уровня АТФ в мозге лягушек похож на более быструю реакцию млекопитающих [78], однако существенно отличается от процессов адаптированных к аноксии животных, которые поддерживают [АТФ] в мозге на протяжении многих часов [9]. Примерно на 100-й мин О₂-голодания в мозге лягушек начинает нарастать концентрация аденозина (позднее высвобождение аденозина), что, вероятно, является результатом распада внутриклеточных запасов АТФ и рассматривается как патологическое событие, связанное с энергетическим сбоем [74]. В свою очередь, после истощения запасов АТФ повышение внеклеточного уровня глутамата и ГАМК не происходит еще в течение 1–2 ч [74]. Такого рода реакция совершенно не похожа на процессы, наблюдаемые у других позвоночных независимо от степени их устойчивости. Следует напомнить, что характерный для неустойчивых видов энергетический сбой приводит к достаточно быстрому неконтролируемому и нейротоксическому высвобождению возбуждающих аминокислот.

Способность мозга лягушки переносить утрату АТФ является весьма интригующим фактом, поскольку защита энергетического статуса считается достаточно важным моментом выживания нейронов. Очевидно, энергетический сбой мозга сам по себе не является фатальным событием для этих земноводных. Особенности функционирования мозга амфибий показывают, что потеря АТФ и гибель нейронов могут быть не настолько тесно взаимосвязаны между собой, как это принято считать [74].

ГАМКергическая система мозга амфибий характеризуется достаточно хорошим развитием и близким подобием черт, присущих млекопитающим [79]. В мозге лягушек аноксия сопровождается увеличением содержания целого ряда аминокислот – серина, глицина, аланина и ГАМК, что демонстрируют толерантные виды. Следует признать, что содержание глутамина, таурина и глутамата не возрастает в той же мере, что у истинных факультативных анаэробов [80]. Было показано, что [ГАМК] возрастала на 45% после первого часа и еще более существенно повышалась до 302 ± 78% по истечении 4-го ч аноксии, достигая самого высокого показателя среди других медиаторов [80]. Очевидно, что в мозге амфибий концентрации внеклеточных ГАМК и глутамата начинают увеличиваться достаточно поздно [74]. Примечательно, что у лягушек повышение [ГАМК] было очень мало/незначительно по сравнению с 90-кратным увеличением количества медиатора в мозге устойчивых видов черепах после 6 ч аноксии [17]. При сопоставлении концентраций медиатора в разных таксонах ценность ГАМК в качестве тормозного нейротрансмиттера для мозга лягушки может быть тем случаем, который описывается выражением “слишком мало, слишком поздно” (a case of ‘too little, too late’). Как и у млекопитающих при аноксии, наибольший прирост внеклеточной [ГАМК] земноводных отмечается после деполяризации клеточных мембран [74], что является скорее патологической реакцией. Вместе с тем высвобождение большого объема тормозных соединений одновременно с экцитотоксическими агентами может представлять собой специфичный защитный механизм, противодействующий эффекту избытка возбуждающих аминокислот [81]. Такие защитные механизмы срабатывают на раннем этапе О₂-голодания и функционируют более интенсивно у устойчивых к гипоксии/аноксии организмов [80]. Очевидно, что на фоне заметного прироста внеклеточных концентраций аспартата, таурина и ГАМК относительный уровень глутамата снижается. Поддержание сравнительно низкого уровня внеклеточного глутамата при аноксии/ишемии составляет наиболее существенное различие между мозгом лягушки и мозгом млекопитающих [80]. Кроме того, в течение нескольких часов “медленной смерти” мозга лягушки при аноксии было найдено 12-кратное увеличение внеклеточного уровня дофамина, что также отличало R. pipiens от устойчивых к аноксии позвоночных [80]. По-видимому, ГАМК может функционировать как “добросовестный”/bona fide ко-трансмиттер в моноаминергических (в частности, дофаминергических) нейронах [82].

Помимо снижения скорости метаболизма на фоне медленной утраты пула АТФ и диссипации ионного градиента [30], одним из механизмов, объясняющих способность лягушек переносить энергетическую недостаточность мозга, может быть задержка высвобождения возбуждающих аминокислот, что предполагает иную последовательность событий во время и после самого энергетического сбоя [74]. Возможно, что в аноксическом мозге лягушки деполяризация мембран нервных клеток либо задерживается на срок до 2 ч после истощения АТФ, либо высвобождение возбуждающих аминокислот происходит значительно позже деполяризации [74].

V. Класс Пресмыкающиеся (Reptilia), отряд Черепахи (Testudines). Черепахи — один из четырех современных отрядов пресмыкающихся, которые существуют на протяжении 250 миллионов лет. Отряд включает около 328 современных видов, предпочитающих тропический и умеренный климат. Характерной особенностью строения черепах является костно-роговой или костно-кожистый панцирь. Большинство видов черепах ведет полуводный образ жизни; в холодное и засушливое время года черепахи могут впадать в спячку. Среди черепах встречаются сухопутные, пресноводные и морские виды животных.

Отдельные представители этого отряда обладают исключительной устойчивостью к аноксии не только среди рептилий, но также среди других позвоночных [30]. Зарываясь в илистое дно покрытых льдом озер и прудов в период зимнего покоя, североамериканская пресноводная расписная черепаха Chrysemys picta способна выдержать 4–5 мес. аноксии при температуре 1–3°C; при более высоких температурах она выдерживает аноксию в 100–1000 раз дольше млекопитающих [83–85]. Каймановая или кусающаяся черепаха Chelydra serpentina выдерживают 100 дней погружения в лишенной О₂ воде [86]. Вместе с тем другие виды черепах, в частности, злой трионикс Apalone ferox не отличаются особой выносливостью [87]. По-видимому, основные механизмы толерантности к аноксии черепах представляют собой набор уникальных приспособлений внутри самой таксономической группы.

Падение продукции макроэргов в мозге черепах при аноксии сопровождается уменьшением потребления АТФ, что позволяет поддерживать его уровень и избежать деполяризации мембраны клеток [17]. Безусловно, способность мозга этих рептилий снижать потребление энергии играет ключевую роль в их способности переносить О₂-голодание длительное время. Исходно у эктотермных рептилий интенсивность энергетического метаболизма всего на 10–20% меньше таковой у млекопитающих такого же размера при одинаковой температуре тела [88]. Аноксия вызывает дополнительное резкое падение энергетического обмена черепах приблизительно на 90% [89, 90]. Показано, что в состоянии зимней спячки (гибернации) скорость метаболизма черепах понижается более чем в 10 000 раз по сравнению с покоящимися млекопитающими аналогичного размера [90]. По-видимому, низкая скорость обменных процессов критически важна для черепах, поскольку позволяет им замедлить истощение энергетических резервов и отсрочить накопление большого количества кислых конечных продуктов жизнедеятельности. После нескольких месяцев О₂-голодания в крови и тканях гибернирующих черепах зачастую наблюдаются высокое содержание лактата, до 200 мМ [91, 92]. Образующийся в процессе анаэробного гликолиза лактат одновременно с повышением его концентрации в плазме легко проникает в ткани панциря и костей животных, где происходит/осуществляется буферизация лактатной нагрузки с помощью карбоната кальция [91]. Из-за значительной относительной массы панциря и костей скелета (более 35% массы тела черепах) в минерализованных костных структурах скапливалось до 40–45% всего произведенного в организме лактата [91, 92].

Нейропротекторный механизм мозга черепах включает раннее высвобождение аденозина [93, 94], а также более позднее, длительное высвобождение ГАМК [17, 52]. Массированное увеличение [ГАМК] отмечается примерно в момент времени снижения первичного пика аденозина [52]. При аноксии содержание ГАМК в мозге черепах увеличивается в 80 раз, а электрическая активность мозга подавляется на 75–95% [17, 53, 95, 96]. У P. scripta через 240 мин О₂-голодания [ГАМК] превышала нормоксический уровень 90-кратно, в то же время существенного изменения уровня глутамата не отмечалось [17] на фоне продолжающейся работы транспортеров глутамата (EAAT, семейство переносчиков возбуждающих аминокислот) [97]. По-видимому, пресинаптическое высвобождение глутамата ингибируется посредством активации ГАМК-рецепторов [98]. Интенсивное повышение [ГАМК] при аноксии также возможно за счет анаэробного превращения глутамата в ГАМК, тогда как распад ГАМК зависит от наличия О₂. Нарастание [ГАМК] сопряжено с увеличением количества ГАМК(А)-рецепторов в течение как минимум 24 ч, что повышает эффективность действия тормозного медиатора [99].

Глубокая метаболическая депрессия мозга черепах сопровождается состоянием, визуально подобным коме [100]. Вместе с тем черепахи не входят в состояние глубокой комы, поскольку сохраняют замедленную реакцию настороженности, а при зимней спячке поддерживают некоторые двигательные функции. В основе практически коматозного состояния (a comatose like state) мозга черепах также может лежать ряд процессов в виде раннего высвобождения аденозина, активации К_АТФ-каналов, прогрессирующего высвобождения ГАМК, резкого снижения электрической активности и ограничения ионных токов [73]. При аноксии выброс большого количества ГАМК действует подобно эндогенной анестезии, которая подавляет метаболизм и защищает мозг практически так же, как анестетики срабатывают в мозге млекопитающих [101]. Отсутствие заметного высвобождения глутамата во время аноксии разительно отличает мозг черепахи от мозга млекопитающих. Один из предполагаемых механизмов, обеспечивающих массированное высвобождение ГАМК, может быть связан с активацией АТФ-зависимых К⁺-каналов клеточной мембраны [102]. В отсутствие О₂ в мозге черепахи осуществляется переход от митохондриальной (окислительной) к цитозольной (гликолитической) продукции АТФ. Очевидно, аноксия может сопровождаться локальным увеличением концентрации АТФ вблизи клеточной мембраны и таким образом способствовать локальной деполяризации мембраны, содержащей АТФ-зависимые K⁺-каналы. Повышенное количество эндогенной ГАМК при аноксии замедляет необходимую для достижения пикового значения потенциала действия деполяризацию мембраны (spike arrest) путем активации ГАМК(А)- и ГАМК(В)-рецепторов [102]. Также аноксия помимо ГАМК стимулирует выход повышенного количества других тормозных, снижающих синаптическую передачу нейротрансмиттеров, – глицина и таурина [17]. Увеличение внеклеточного пула ингибирующих аминокислот может быть одним из механизмов, лежащих в основе снижения спонтанной электрической активности и потребления энергии в лишенном О₂ мозге черепахи [17]. По-видимому, высокая устойчивость мозга черепах на фоне многократного повышения [ГАМК] связана с тесным сопряжением процессов гибернации, тормозящих практически все физиологические функции, и процессов, обеспечивающих выживание при О₂-голодании.

ВЫСОКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ К ГИПОКСИИ/АНОКСИИ ВЫСШИХ ПОЗВОНОЧНЫХ И ЧЕЛОВЕКА

Считается, что высшие позвоночные (птицы, млекопитающие, включая человека) обладают весьма ограниченной способностью переносить гипоксию/аноксию [30]. Вместе с тем во избежание предвзятого представления об этих группах позвоночных и человеке, следует признать, что среди них встречаются свои исключения. Ныряющие, роющие и впадающие в спячку животные являются безусловными мастерами адаптации к гипоксии [31]. К сожалению, данные о функционировании ГАМКергической системы таких позвоночных отсутствуют. Вместе с тем к настоящему времени сложилось представление о том, что устойчивые к О₂-голоданию высшие позвоночные особо выделяются тщательно скоординированной на уровне систем органов реконфигурацией, включающей частичное отключение функций отдельных органов при снижении РО₂ [31]. Такая системная реконфигурация достигается за счет столь же сложной перенастройки на клеточном и молекулярном уровнях, которые зависят от множества факторов, включая окружающую среду, степень гипоксического стресса, а также условия развития, поведения и экологии определенных видов.

В данном обзоре приводится весьма краткий перечень наиболее адаптированных представителей высших позвоночных.

Птицы-ныряльщики (пингвины, утки) переживают длительные периоды гипоксии (гипоксемии)/асфиксии по сравнению с наземными видами [103, 104]. Императорские пингвины Aptenodytes forsteri ныряют на глубину 500 метров на ~15 мин [105]. Утки способны переносить погружение в течение более 10 мин [104, 106]. Было показано, что мозг представителя утиных (Anatidae) обыкновенной гаги Somateria mollissima обладает повышенной анаэробной емкостью, поскольку в его ткани содержится всего один изофермент лактатдегидрогеназы LDH5, который у млекопитающих обнаруживается только в скелетных мышцах [107].

Напряжение О₂ в крови морских млекопитающих (китов, тюленей) при погружениях падает ниже 20 мм рт. ст. [2]. Тюлень-хохлач Cystophora cristata может погружаться на глубину более 1000 м и оставаться под водой более 52 мин [108]. Функции мозга ныряющего обыкновенного тюленя Phoca vitulina (паттерн ЭЭГ), по-видимому, практически не изменяются при снижении напряжения О₂ артериальной крови (PaO₂) до 10–18 мм рт. ст. [109], что существенно ниже критического значения PaO₂ для мозга неныряющих млекопитающих (25–40 мм рт. ст.) [110]. При погружении тюленя-хохлача энергетический баланс его мозга удерживается, в частности, за счет снижения интенсивности синаптической передачи [2]. Кроме того, было установлено, что в нейронах тюленя C. cristata (по сравнению с мышью) большинство связанных с химической синаптической (глутамат- и ГАМК-ергической) передачей генов экспрессируются в гораздо меньшем объеме (на 78 и 80% соответственно). Кроме того, нейроны тюленя C. cristata обладают способностью ограничивать высвобождение и увеличивать обратный захват глутамата, который может оказать эксцитотоксический эффект при гипоксии [2].

Длительные периоды острой гипоксии переживают также живущие на большой высоте (лама Lama glama, як Bos grunniens) либо впадающие в зимнюю спячку млекопитающие (американский длиннохвостый суслик Spermophilus parryi) [15, 31, 111]. Сатурация гемоглобина (SaO₂) ламы остается cвыше 92% при напряжении О₂ артериальной крови (PaO₂) около 50 мм рт. ст. [112]. Устойчивость мозга норного грызуна голого землекопа Heterocephalus glaber, живущего свыше 30 лет, сравнивают с хорошо известной толерантностью мозга новорожденных млекопитающих [3, 113]. Показано, что при О₂-голодании нейроны голого землекопа сохраняют способность к синаптической передаче гораздо дольше, чем нейроны мыши, и легко восстанавливаются после 30 мин периодов полной аноксии [5]. Предполагают, что устойчивость голого землекопа может быть результатом сохранения целого ряда ювенильных характеристик мозга взрослого грызуна (гипотеза неотении) [5, 15, 113]. В частности, определенные параллели между мозгом этих уникальных грызунов и новорожденных млекопитающих могут просматриваться в наличии неонатальной разновидности субъединиц глутаматных NMDA-рецепторов [113].

Развивающиеся эмбрионы млекопитающих прекрасно адаптированы к гипоксии: напряжение О₂ в утробе материнского организма соответствует РО₂ на высоте 8000 м над уровнем моря [3, 114]. Новорожденные крысята могут выживать в состоящей на 100% из азота атмосфере (аноксия) в 45 раз дольше, чем взрослые особи [115]. При гипоксии новорожденные крысята снижают опосредуемое эффектом глутамата поступление Са²⁺ внутрь нервных клеток [116, 117], что делает их мозг похожим на мозг черепах или голых землекопов [113, 118]. Также устойчивость мозга новорожденных млекопитающих объясняют сравнительно недифференцированным состоянием этого органа, приближающим его функционирование к представителям более примитивных таксонов, в частности, к рептилиям [53].

Населяющие высокогорье (на высотах более 4000 м, в некоторых случаях более 5000 м) народности плато Тибета (тибетцы), Андского нагорья Альтиплано (популяция индейцев кечуа) и плато Семиен Эфиопского нагорья в течение многих поколений адаптировались к условиям с низким парциальным давлением О₂ в атмосфере (~ на 40% ниже, чем на уровне моря), что в первую очередь связывают с наличием определяющего высокую концентрацию гемоглобина (hemoglobin) гена EPAS1, а также набора других чувствительных к гипоксии и регулирующих адаптацию к высокогорью генов (являются неотъемлемой частью регуляции программы транскрипции HIF) [119–121]. По-видимому, эпигенетические процессы предоставляют путь к быстрому приобретению наследуемых, адаптивных функций и могут дать избирательное преимущество в быстро меняющейся среде. Такие исследования жителей высокогорья могут позволить глубже понять механизмы, лежащие в основе адаптивного потенциала человека и истории эволюции человека [121].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Механизмы устойчивости мозга низших позвоночных при гипоксии/аноксии предполагают значительное снижение метаболизма, наличие запасов и эффективное использование субстратов, толерантность к конечным продуктам анаэробного метаболизма, предотвращение повреждений свободными радикалами в процессе реоксигенации [30]. В то же время очевидно, что при О₂-голодании метаболическая депрессия устойчивых представителей разных таксонов достигается различными путями. Обеспечивающее гипометаболическое состояние высвобождение и конечный эффект ГАМК на разных ступенях эволюции осуществляется по достаточно гибкой схеме (табл. 1), которая предполагает различные концентрации высвобождаемой ГАМК, тесное взаимодействие с другими тормозными медиаторными системами, адресное или генерализованное воздействие на структуры мозга, уникальные временные рамки высвобождения тормозных и возбудительных аминокислот и достигаемое соотношение с основным эксцитотоксическим агентом мозга – глутаматом. Кроме того, наблюдаемая при гипоксии/аноксии активация ГАМКергической системы сопровождается широким спектром неврологических проявлений, которые предполагают как сохранение основных реакций организма, так и вхождение в практически коматозное состояние. Очевидно, что ГАМКергическая система мозга нуждается в дальнейшем исследовании. Задача будущих поисков в данной области состоит в том, чтобы более детально изучить механизмы и условия вхождения мозга и отдельных нейронных сетей в гипометаболическое состояние. Не вызывает сомнения тот факт, что постоянно подвергающиеся действию гипоксии животные точно “знают”, как достичь необходимой для выживания глубины метаболической депрессии; “задача исследователей должна заключаться в том, чтобы следовать их примеру” [31], извлекая некое рациональное зерно в поиске путей сохранения целостности мозга при дефиците О₂.