Niet behandelde (links) en behandelde hersenen waarin de groene neuronen wel/niet afgestorven zijn. Stefano G. Daniele & Zvonimir Vrselja; Sestan Laboratory; Yale School of Medicine

Onderzoekers herstellen een aantal functies in de hersenen van varkens uren na het overlijden

Onderzoekers van Yale zijn erin geslaagd de hersenen van dode varkens enigszins te doen herleven, uren nadat de dieren gedood waren in een slachthuis. Vier uur na de dood werd de circulatie en een deel van de celactiviteit hersteld in de hersenen. Dat plaatst vraagtekens bij ingewortelde aannames over de timing en de onomkeerbaarheid van het wegvallen van bepaalde hersenfuncties na de dood. De onderzoekers van Yale benadrukken dat er op geen enkel ogenblik ook maar enige aanwijzing voor bewustzijn gezien werd.

De hersenen zijn bijzonder gevoelig voor zuurstofgebrek en als ze geen zuurstof krijgen, stoppen ze zeer snel met functioneren. Algemeen wordt aangenomen dat celdood in de hersenen een snel en onomkeerbaar proces is. Luttele seconden na het afsnijden van de toevoer van zuurstof en bloed verdwijnen de elektrische activiteit en het bewustzijn, en na enkele minuten is de opgeslagen energie opgebruikt. Men gaat er nu steeds van uit dat er dan een sneeuwbaleffect optreedt van letsels en dode moleculen, wat leidt tot wijdverspreide, onomkeerbare degeneratie. 

Maar onderzoekers weten al langer dat levensvatbare cellen uit post mortem hersenen gehaald kunnen worden, zelfs uren na het overlijden. 

Die cellen kunnen dan in een labo in leven worden gehouden en bestudeerd worden, maar de verbindingen in en de driedimensionale organisatie van de hersenen zijn dan natuurlijk verloren gegaan. En dat maakt het onmogelijk om bepaalde diepgaande onderzoeken uit te voeren naar de oorzaken van hersenaandoeningen, en naar de verbondenheid van hersencellen in zowel gezonde als abnormale omstandigheden.

Nenad Sestan, een professor neurologie aan de Yale School of Medecine in New Haven en de belangrijkste auteur van de studie over de varkenshersenen, vroeg zich samen met een aantal collega's af of het niet mogelijk zou zijn de hersencellen te bestuderen in intacte hersenen. 

Daarvoor zou men de hersencellen op een of andere manier zuurstof, voedingsstoffen en mogelijk ook chemische stoffen om hen te beschermen, moeten kunnen toedienen, en de onderzoekers hebben de afgelopen zes jaar doorgebracht met het ontwikkelen van een techniek die dat zou kunnen doen. Ze hebben die getest op zo'n 300 varkenskoppen die niet speciaal gekweekt waren voor wetenschappelijk onderzoek, maar die gewoon uit een plaatselijke slachterij kwamen. 

Nadat ze hun techniek, die ze BrainEx noemen, op punt hadden gesteld, voerden ze een gedetailleerde studie uit met 32 koppen. De hersenen werden verwijderd uit de kop en vier uur na de dood werden de belangrijkste bloedvaten aangesloten op een pomp die een speciaal ontworpen chemische oplossing gedurende zes uur in de hersenen rondpompte.

Na zes uur behandeling met de vloeistof, en tien uur na de dood, zagen de hersenen er helemaal anders uit dan hersenen die men gewoon had laten degenereren. In de behandelde hersenen werden verschillende basisfuncties van de cellen waargenomen, waarvan men tot nu dacht dat ze enkele seconden of minuten na het wegvallen van de toevoer van bloed en zuurstof zouden stilvallen. De hersencellen bleven in een ongeschonden toestand, en een zekere functionaliteit van de neuronen of hersencellen, de gliacellen - cellen die de neuronen verzorgen - en vasculaire cellen - vaatcellen - werd hersteld.

"Het intacte brein van een groot zoogdier behoudt een tot hiertoe onderschat vermogen tot het herstel van de circulatie en van bepaalde moleculaire en cellulaire functies uren na het stopzetten van de bloedcirculatie", zo zei Sestan in een mededeling van Yale. 

"Tot hiertoe waren we enkel in staat om cellen uit een groot brein van een zoogdier te bestuderen in statische en voornamelijk tweedimensionale omstandigheden, door kleine weefselsmonsters te gebruiken buiten hun normale omgeving", zei doctoraatsstudent en eerste mede-auteur Stefano G. Daniele. "Nu zijn we voor het eerst in staat om het grote brein in drie dimensies te bestuderen, wat maakt dat we complexe interacties en de verbondenheid tussen cellen beter kunnen bestuderen."

Een varkentje in een ton. Ben Salter/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.0

Geen gewaarwording of bewustzijn

De onderzoekers benadrukken dat de behandelde hersenen geen herkenbare elektrische signalen vertoonden die geassocieerd worden met normale hersenfuncties.

"Op geen enkel ogenblik namen we de georganiseerde elektrische activiteit waar die geassocieerd wordt met gewaarwordingen of bewustzijn", zei mede-eerste auteur Zvonimir Vrselja, hoogleraar neurologie. "Klinisch gezien is dit geen levend brein maar een brein met cellulaire activiteit."

"Het herstellen van bewustzijn is nooit het doel geweest van dit onderzoek", zei mede-auteur Stephen Latham, de directeur van het Interdisciplinary Center for Bioethics van Yale. "De onderzoekers waren bereid om tussenbeide te komen met verdovingsmiddelen en het verlagen van de temperatuur om georganiseerde algemene elektrische activiteit stil te leggen, als ze zou opduiken. Iedereen was het er op voorhand over eens dat experimenten waarbij er sprake was van herstelde algemene hersenactiviteit, niet konden uitgevoerd worden zonder duidelijke ethische normen en mechanismen voor institutioneel toezicht."

Gekleurde preparaten van een deel van de hippocampus uit varkenshersenen die 10 uur lang onbehandeld zijn gebleven (links) en die behandeld zijn met BrainEx (rechts). De neuronen zijn groen gekleurd, de astrocyten - gliacellen in het centrale zenuwstelsel - rood en de celkernen blauw. Duidelijk is te zien dat tien uur na de dood de neuronen en de astrocyten desintegreren tenzij ze behandeld werden met het BrainEx-systeem. Stefano G. Daniele & Zvonimir Vrselja; Sestan Laboratory; Yale School of Medicine

Geen onmiddellijke klinische toepassingen

De doorbraak heeft geen onmiddellijk klinische toepassingen, maar het onderzoeksplatform kan mogelijk ooit dokters helpen om manieren te vinden om hersenfuncties te redden bij patiënten met een beroerte, of om nieuwe therapieën te testen. 

"Dit onderzoek biedt hoop op een beter inzicht in hersenaandoeningen en betere behandelingen, en zou kunnen leiden tot een geheel nieuwe manier van het bestuderen van een post mortem menselijk brein", zei Andrea Beckel-Mitchener, het hoofd van de afdeling 'Functional neurogenomics' van het National Institute of Mental Health. Dat instituut van de National Institutes of Health (NIH) heeft samen met het BRAIN Initiative van de NIH het onderzoek voor het grootste deel gefinancierd. 

De onderzoekers zeiden dat het niet duidelijk is of hun benadering toegepast kan worden op een recent overleden menselijk brein. In de chemische oplossing die gebruikt wordt, ontbreken veel bestanddelen die teruggevonden worden in menselijk bloed, en dat maakt het experimentele systeem aanzienlijk verschillend van de normale levensomstandigheden. 

De onderzoekers benadrukken overigens dat elke toekomstige studie op menselijk weefsel of gericht op het doen herleven van algemene elektrische activiteit in post mortem dierlijk weefsel, dient te gebeuren onder strikt  ethisch toezicht.  

De studie van de onderzoekers van Yale is gepubliceerd in Nature

Samen met de studie is in Nature een commentaarstuk verschenen waarin Nita Farahany, die de ethica van nieuwe technologieën bestudeert aan de Duke Law School, samen met collega's stelt dat het onderzoek haar doet denken aan een uitspraak uit de film uit 1987 'The Princess Bride': "Er is een groot verschil tussen grotendeels dood en helemaal dood. Grotendeels dood is enigszins levend". 

Farahany is ervan overtuigd dat mensen het potentieel van het nieuwe onderzoek zullen inzien, en als het inderdaad mogelijk is om cellulaire activiteit te herstellen in hersenweefsel waarvan we tot nu dachten dat het onherroepelijk verloren was, dan gaan mensen uiteraard dit op een bepaald ogenblik willen toepassen op menselijke hersenen. 

In een ander commentaarstuk van bioethici Stuart Younger en Insoo Hyun van Case Western Reserve University stellen de ethici dat onderzoek als dit het moeilijker kan maken om organen van mensen die breindood verklaard zijn, te kunnen gebruiken voor transplantaties. 

Als mensen die breindood verklaard zijn, kandidaat zouden kunnen worden voor pogingen om het brein te doen herleven, zal het moeilijker worden voor dokters en familieleden om er zeker van te zijn dat verder medische interventie geen zin heeft, zo stellen ze.