В случае реорганизации органов: Статья 11. Учредитель образовательного учреждения / КонсультантПлюс

выделяли непосредственно из образцов стула или образцов гноя ALA (т.е.е. предварительных этапов культивирования не проводилось) с использованием различных традиционных методов. Метод выделения ДНК CTAB, описанный ранее [7], был использован для образцов стула и гноя из Бангладеш. ДНК из итальянских образцов выделяли с помощью набора для подготовки HighPure PCR Template (Roche Diagnostics, Германия). ДНК из образцов США выделяли с помощью набора QIAamp DNA Stool Mini Kit (Qiagen, Германия).

Полимеразная цепная реакция (ПЦР)

Для определения генотипов паразитов мы использовали видоспецифический метод ПЦР-амплификации [7].Этот метод генотипирования продемонстрировал превосходную дискриминационную способность при идентификации индивидуальных вариантов E. histolytica путем амплификации 6 высокоповторяющихся областей, содержащих STR, фланкированные генами тРНК. Чтобы получить амплификацию из некоторых образцов, мы использовали «праймеры тРНК» в первой ПЦР с последующей вложенной ПЦР с использованием внутренне локализованных видоспецифичных праймеров E. histolytica во второй [7]. Все последовательности праймеров и настройки термоциклера были такими, как описано ранее [7].ПЦР проводили с использованием либо стандартной BioLine Taq (Великобритания и США), либо высокоточной ДНК-полимеразы Sahara (BioLine, США) с 1,5 мМ MgCl ₂ (BioLine, США). Все продукты ПЦР разделяли в 1,5% агарозных гелях в 1 × буфере трис-борат-ЭДТА. По большей части используемый маркер размера представлял собой лестницу 100 п.н.

Клонирование и секвенирование амплифицированных продуктов

Некоторые продукты амплифицированной ПЦР в Бангладеш и Италии были секвенированы напрямую, тогда как оставшиеся продукты амплификации в Бангладеш и продукты амплификации в США были клонированы с использованием векторной системы TOPO TA и химически компетентных клеток One Shot (оба от Invitrogen) в соответствии с инструкциями производителя.Плазмидную ДНК выделяли с помощью набора QIAprep Spin Mini (Qiagen). Последовательности получали с использованием готового реакционного набора для секвенирования цикла терминатора ABI Prism® BigDye ^TM и собирали либо с помощью Multalin [11] (http://www.prodes.toulouse.inra.fr/multalin/multalin.html), либо вручную с помощью глаз. Выбранные последовательности депонированы в GenBank под номерами доступа EU251493 – EU251501.

Результаты

ПЦР-амплификации и результаты гель-электрофореза в STR-локусах

В данной работе генотипы паразитов определяли с использованием шести полиморфных маркеров, связанных с тРНК, содержащих STR [7].Для 16 образцов стула из Бангладеш мы использовали вложенную ПЦР, но, тем не менее, ПЦР по-прежнему не была успешной для всех STR-локусов во всех образцах. В большинстве случаев безуспешно была амплификация ДНК, полученной из кала, тогда как соответствующая ДНК абсцесса печени амплифицировалась хорошо. Локус S-Q по неизвестным причинам показал множественные полосы для большинства образцов стула и был исключен из дальнейшего анализа. Среди других локусов амплификации для D-A, A-L и S ^TGA -D были наиболее успешными, а для R-R и N-K2 были наименее успешными.Эти различия могут отражать количество копий мишеней [12]. Результаты по этим 5 локусам для всех пар образцов показаны в таблице 1.

Для большинства образцов гель-электрофорез показал, что общие образцы для пар образцов кала и абсцесса печени были разными (рисунок 1, таблица 1). Единственным исключением были пары образцов BAN-12 и BAN-15 (Рисунок S3). Однако секвенирование показало, что продукты ПЦР, очевидно, одного и того же размера на самом деле различались между этими парами образцов (таблица 2, рисунок 2A и рисунок S1B).Количество локусов, показывающих различия, варьировало. Среди пар образцов из Бангладеш различались от 1 до 4 локусов (таблица 1). Итальянская пара образцов была идентична для 5 локусов, но показала небольшую разницу в размере в локусе S ^TGA -D (рис. 1B). Аналогичным образом, образцы от пациента из США также были идентичны в 5 локусах, но показали небольшую разницу в размере в локусе N-K2 (рис. 1D).

Рис. 1. Полиморфизм размера продуктов ПЦР в парных образцах.

Полиморфизм размера продукта ПЦР в выбранных STR-локусах с использованием образцов ДНК из абсцесса печени (дорожки с нечетным номером) и образцов кала (дорожки с четным номером) от следующих пациентов с амебным абсцессом печени: A.БАН-1 (1 и 2), БАН-2 (3 и 4) и БАН-3 (5 и 6). Б. Пациент с амебным абсцессом печени из Италии. C. БАН-4 (1 и 2), БАН-5 (3 и 4), БАН-6 (5 и 6), БАН-7 (7 и 8), БАН-8 (9 и 10), БАН-9 (11 и 12), БАН-10 (13 и 14) и БАН-11 (15 и 16). D. Пациент с амебным абсцессом печени в США. Звездочки указывают на разницу в размере продукта ПЦР в парных образцах. Более полный набор продуктов ПЦР можно увидеть на рисунке S3.

https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0000219.g001

Результаты последовательности продуктов амплификации ПЦР

Пятнадцать пар продуктов ПЦР из образцов Бангладеш были отобраны для секвенирования. Они включали 6 пар товаров, которые явно различались по размеру, 5 пар, которые оказались одинакового размера, и 4 пары, для которых разница в размерах была неоднозначной (пример этого показан на рисунке S3G, дорожки 1 и 2). Все 6 локусов были секвенированы как в Италии, так и в США. Результаты последовательности подтвердили все наблюдения геля и, кроме того, ясно показали, что 4 пары образцов из Бангладеш, где различия в размерах были неопределенными, действительно различались по последовательности (Таблица 2): BAN-12 и BAN-4 показали различия в количестве и расположении образцов. STR в локусе AL и локусе DA, соответственно (фиг. 2A и 2B), в то время как как BAN-14, так и BAN-15 показали точечные мутации в последовательностях RR их локуса (см. Положения 312 и 349 на фиг. S1A и S1B).

Рисунок 2. Типы последовательностей продуктов ПЦР из парных образцов.

Схематические изображения (A) локуса AL, (B) локуса DA, (C) локуса S ^TGA -D, (D) локуса N-K2 и (E) локуса RR приведены для иллюстрации наблюдаемых различий в типах последовательностей. между парными образцами. Звездочка указывает на вставку одного основания A в последовательность 2AL. Каждая стрелка представляет конкретный ген тРНК (показан внутри стрелки), а цветные прямоугольники представляют собой STR. Типы последовательностей в локусах N-K2, RR и S ^TGA -D соответствуют ссылке 13 (EF427346-EF427363, EF421375-EF421386 и EF421387-EF421403, соответственно), а типы последовательностей локуса DA соответствуют Clark, Ali и Haque (EU251498 – EU251501 и неопубликованные).На сегодняшний день в локусе A-L обнаружено 5 типов последовательностей (EU251493 – EU251497).

https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0000219.g002

Поразительным открытием стало то, что для двух пар образцов (BAN-4 и BAN-11) паттерны различия последовательностей в локусе DA были идентичны между два образца абсцесса печени и кала (Таблица 2). Другими словами, BAN-4 ^L и BAN-11 ^L были идентичны (тип последовательности 11DA), как и BAN-4 ^S и BAN-11 ^S (тип последовательности 6DA) [13].Точно так же в локусе S ^TGA -D, BAN-6 ^L и Италия ^L были идентичны (тип последовательности 15SD), как и BAN-6 ^S и Италия ^S (12SD) (Таблица 2). Однако, в то время как другие локусы в итальянских образцах были идентичны в образцах кала и абсцесса печени, это не было верно для BAN-6, где локусы D-A и A-L также различались (Таблица 1). Стул и все внекишечные образцы от пациента из США показали идентичные паттерны STR, за исключением локуса N-K2, где внекишечные образцы показали один дополнительный повтор из 8 пар оснований в блоке STR по сравнению с образцом кала (таблица 2; рисунок 2D). ).

В дополнение к вариации STR мы также наблюдали некоторые однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) среди клонов, полученных из одного и того же образца ДНК (некоторые из них показаны на рисунках S1A и S1B). Эти SNP присутствовали, даже несмотря на то, что ДНК-полимераза высокой точности использовалась для амплификации перед клонированием. Мы наблюдали SNP в разных копиях STR-локусов из одного и того же изолята E. histolytica ранее (IKM Ali, неопубликованные данные), и SNP могут быть обнаружены между считываниями в последовательности генома HM-1: IMSS, где амплификация ПЦР не проводилась. .Следовательно, вероятно, что источником большинства SNP является вариация последовательностей среди отдельных копий локусов в пределах одного изолята. Прямое секвенирование продуктов ПЦР дает «консенсусную» последовательность для единиц, поэтому любые различия SNP будут скрыты, если они не присутствуют в большинстве копий. В качестве иллюстрации этого мы наблюдали разницу в вставке / делеции одного основания в локусе AL между парными образцами из BAN-5 (рис. 2A; последовательность типа 2AL) и в локусе RR для пар BAN-14 и BAN-15 (см. Ниже. ).

Возможность того, что последовательность «абсцесс печени» присутствует в кишечной популяции, может быть исследована в нескольких случаях. Прямое секвенирование продуктов ПЦР из ДНК кала в локусе S ^TGA -D для итальянского случая показало наличие версии последовательности «абсцесс печени» в виде второстепенных пиков примерно на 10% высоты пиков консенсусной последовательности. (Рисунок S2A). Эти второстепенные пики начинаются точно в том положении, которое ожидается для последовательности на одну STR-копию короче, и их можно четко прочитать.Аналогично, на графиках для последовательности абсцесса печени второстепенные пики, соответствующие согласованной последовательности кишечника, также могут быть видны как второстепенные пики (примерно 5% от согласованной высоты), которые увеличивают дорожку на 9 оснований, длину соответствующего STR (Рисунок S2B. ). Это не уникальное наблюдение. Индель с одним основанием, дифференцирующий R-R последовательности кала и абсцесса печени в BAN-14 и BAN-15, дает аналогичный эффект. На следе ДНК стула видна «теневая» последовательность, смещенная на одно основание вправо, начиная точно с точки отступа и продолжаясь до конца продукта (рисунок S2C).Однако нет четких доказательств альтернативного основания в позиции трансверсии A / T на несколько оснований дальше.

Обсуждение

В E. histolytica не было сообщений, сравнивающих генотипы амеб, идентифицированных в кале, с генотипами в гное абсцесса печени у тех же пациентов. Однако в исследовании Leishmania было продемонстрировано, что изоляты из поражений слизистой и кожи одних и тех же пациентов были генетически разными, и эти авторы предположили, что субпопуляция паразита достигла слизистой оболочки из исходного участка кожного поражения [14].Поэтому мы были заинтересованы в том, чтобы выяснить, можно ли обнаружить подобное явление при сравнении инвазивных и кишечных E. histolytica . Для выявления генетических различий мы использовали 6 высокополиморфных локусов у E. histolytica . Эти локусы вряд ли будут непосредственно участвовать в вирулентности, но они могут действовать как суррогатные маркеры и быть физически связаны с локусами, которые оказывают прямое влияние на исход инфекции. Используя этот метод генотипирования, мы ранее показали, что диапазон E.histolytica в образцах абсцесса печени отличается от генотипа, обнаруженного в образцах кишечника у населения Бангладеш [6], [8]. Одним из ограничений наших предыдущих сравнений генотипов было то, что они проводились на образцах из 3 отдельных клинических групп: бессимптомные, диарея / дизентерия и абсцесс печени; первые две группы предоставили образцы стула, в то время как пациенты с абсцессом печени дали только образцы гноя.

В 2004 году при разработке методики генотипирования мы получили два образца ДНК от проф.Эгберт Танних (Институт Бернхарда Нохта, Гамбург) — один извлечен из гноя абсцесса печени у женщины, которая никогда не выезжала за пределы Европы, а другой извлечен из образца стула, предоставленного ее мужем. Типирование показало, что образцы гель-электрофореза продуктов ПЦР двух образцов различаются. Этот результат послужил вдохновением для настоящего исследования, в котором было собрано 18 пар образцов ДНК E. histolytica , полученных из кала и гноя абсцесса печени одного и того же пациента. Образцы анализировали с помощью ПЦР-генотипа и секвенирования, чтобы определить, можно ли обнаружить различия между амебами, метастазировавшими в ткань печени, и теми, которые остались в кишечнике.Результаты, которые мы обнаружили, были впечатляющими: кишечные амебы отличались от амеб в абсцессе печени у всех обследованных пациентов из Бангладеш, Италии и США. Это наблюдение, основанное на секвенировании тРНК-связанных STR-локусов, также было подтверждено вложенной ПЦР широко изученного полиморфного гена белка E. histolytica (SREHP), богатого серином. Этот ген кодирует иммунодоминантный поверхностный антиген, содержащий тандемные повторы родственных додека- и окта-пептидов [8], [15], [16], [17], [18].Анализ SREHP в трех парах образцов из Бангладеш показал, что амебы кишечного абсцесса и абсцесса печени действительно отличались друг от друга и в этом локусе (данные не показаны).

Мы полагаем, что есть три возможных объяснения этих выводов. Во-первых, АЛК может возникнуть через много месяцев после первоначального заражения. По прошествии времени исходная кишечная инфекция могла быть устранена [19], а амебы в наших образцах стула могли быть результатом второй инфекции с другим генотипом.Тогда можно ожидать генетических различий из-за обширного разнообразия, которое существует даже в географически локализованных популяциях [6]. В то время как вторая инфекция является разумной возможностью в такой эндемичной стране, как Бангладеш, и действительно может быть правдой в некоторых из наших случаев, это кажется крайне маловероятным, чтобы быть реалистичным объяснением случаев из Италии и США, где инфекция E. histolytica редко.

Во-вторых, исходная кишечная инфекция могла содержать несколько генотипов, из которых только один мигрировал в печень через кровоток, вызывая абсцесс печени (т.е. «генетическое узкое место»). Есть две разные ситуации, которые могут привести к множеству генотипов. Первый — это сценарий «двойного заражения», при котором присутствуют 2 или более неродственных генотипа либо в результате отдельных инфекций, либо в результате воздействия смешанного источника. Второй сценарий — «гетерогенная инфекция» двух или более родственных генотипов, скорее всего, недавно полученных из одного источника. Последнее больше соответствует тому, что мы видим в США и Италии, где генотипы стула и гноя ALA были очень похожи — совпадение по 5 из 6 секвенированных локусов.Было бы неожиданно обнаружить заражение двумя такими близкими генотипами случайно, учитывая разнообразие, существующее в природе [8], [15], [16], [20]. В случаях Бангладеш парные выборки часто различались по большему количеству локусов, чем они были общими, что больше соответствует сценарию двойного заражения. Однако в обоих сценариях только второстепенный генотип должен был достичь печени.

Наконец, могут иметь место события реорганизации или рекомбинации ДНК, когда амебы мигрируют из кишечника в печень.STR-локусы, в которых обнаруживаются различия, существуют в нескольких копиях в более крупном тандемном массиве [12]. Такие хромосомные структуры обычно менее стабильны, чем однокопийные последовательности [21]. Наблюдаемое увеличение / уменьшение числа STR предполагает событие рекомбинации, а гены тРНК, как известно, являются «горячими точками» для рекомбинации [22]. Хотя только один локус был обнаружен как претерпевающий изменения в парных образцах Италии и США, следует помнить, что были изучены только 6 несвязанных STR-локусов и 25 различных массивов генов тРНК в E.histolytica , каждый из которых может иметь от 1 до 5 STR. Несмотря на то, что наблюдалось изменение только одного локуса, рекомбинация вполне может быть гораздо более обширной и широко распространенной в геноме. Также вероятно, что в некоторых будущих парах образцов не будет обнаружено различий по этим локусам, но, тем не менее, изменения происходят в других частях генома.

Интерпретация результатов наблюдений за последовательностями «абсцесса печени» в образцах ДНК стула и наоборот — непростая задача. Они могли указывать на наличие гетерогенной инфекции, и тогда разница была бы результатом генетического узкого места, через которое прошла небольшая популяция клеток, которая, как оказалось, имела инделы, включающие STR или отдельные основания.Тогда становится проблемой объяснить, почему в каждом случае только второстепенный вариант попадал в печень, а основной генотип оставался в кишечнике. В качестве альтернативы, наблюдения могут быть результатом расширения вариантной единицы массива для замены преобладающей версии, присутствующей в популяции кишечных клеток, что подразумевает радикальную рекомбинацию / реорганизацию массива. Различие между двумя альтернативами зависит от того, все ли клетки кишечной инфекции будут давать одинаковые следы последовательности или же относительные пропорции двух вариантов последовательности различаются между клетками.Невозможно узнать, что именно.

Получить материал для дальнейших исследований такого типа непросто. Отчеты о доле пациентов с амебным абсцессом печени, у которых имеется сопутствующая кишечная инфекция E. histolytica , различаются и составляют от менее 10% [23] до 70% пациентов [24]. Кроме того, в большинстве стран дренирование абсцесса не выполняется, если не ожидается неминуемого разрыва, что ограничивает доступность гноя с АЛК для исследования, хотя и в интересах пациента.Однако в исследовании Haque et al [9] лектиновые антигены были обнаружены в сыворотке 32 из 98 пациентов с ALA в Бангладеш, а в более недавнем исследовании Parija и Khairnar [25] — ДНК E. histolytica . был обнаружен в моче 21 из 53 пациентов с АЛК в Индии. Это указывает на возможность амплификации ДНК E. histolytica из крови и / или мочи пациентов с АЛК, устраняя необходимость в образцах гноя. Тогда можно будет исследовать кишечные и инвазивные генотипы амебы у гораздо большего числа пациентов с ALA.

Чтобы определить, представляют ли различия между кишечными и печеночными изолятами E. histolytica у одного и того же пациента генетический эффект узкого места или мутацию, потребуются дополнительные эксперименты. Способность вызывать кишечные инфекции у мышей с использованием клонированных изолятов E. histolytica [26] может позволить проверить наши гипотезы. Тем не менее, наши наблюдения на сегодняшний день дают представление о том, почему в нашей предыдущей работе генотипы ALA отличались от генотипов в кишечнике [6], и подтверждают вероятность того, что генотип амебы играет важную роль в исходе инфекции E.histolytica.

Дополнительная информация

Рисунок S1.

Выравнивание клонированных последовательностей в локусе R-R. (A) Три клонированных последовательности локуса R-R каждая из штаммов абсцесса печени (BAN-14LA) и кала (BAN-14ST) были сопоставлены. В положении 312 все 3 клона из штамма абсцесса печени показали вставку «Т» по сравнению с таковой во всех 3 клонах из штамма кишечника. В положении 349 наблюдается постоянное преобразование «Т» в «А» между абсцессом печени и кишечными штаммами.(B) Три клонированных последовательности локуса R-R из абсцесса печени (BAN-15LA) и 4 клонированных последовательности из стула (BAN-15ST) штаммов выравнивали. В положении 312 все 3 клона из штамма абсцесса печени показали вставку «Т» по сравнению с таковой во всех 4 клонах из штамма кишечника. В положении 349 наблюдается постоянное преобразование «Т» в «А» между абсцессом печени и кишечными штаммами.

https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0000219.s001

(4,78 МБ TIF)

Рисунок S2.

Следы секвенирования, указывающие на наличие альтернативных вариантов последовательности.A. Обратный комплемент локуса S ^TGA -D из ДНК кала итальянского пациента с амебным абсцессом печени. Последовательность в черном тексте под следом представляет собой последовательность второстепенных пиков, которые можно увидеть, и соответствует варианту, который короче на одну STR. B. Обратный комплемент локуса S ^TGA -D из абсцесса печени итальянского пациента. Последовательность в черном тексте под следом соответствует второстепенному продукту и соответствует варианту, который длиннее на одну STR из 9 оснований.C. Следы, показывающие эффект индель. Верхние следы представляют собой последовательность локуса R-R ДНК стула, а нижние следы — последовательность ДНК ALA BAN-14. Расположение отступа обозначается обозначением 6T / 7T, а прямоугольник выделяет идентичность второстепенных пиков на верхней кривой с последовательностью нижней кривой. Стрелки указывают положение трансверсии, которая различает две последовательности (также видно на рисунке S1).

https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0000219.s002

(2,48 МБ TIF)

Рисунок S3.

Полиморфизм размера продукта ПЦР в парных образцах. Части E, F, K и L такие же, как те, что показаны на рисунке 1 основной статьи. (A – E) Полиморфизм размера продукта ПЦР в 5 STR-локусах с использованием образцов ДНК из абсцесса печени (дорожки с нечетным номером) и образцов кала (дорожки с четным номером) 3 пациентов с амебным абсцессом печени: BAN-1 (1 и 2), BAN- 2 (3 и 4) и БАН-3 (5 и 6). (F – H) Полиморфизм в 3 STR-локусах с использованием образцов ДНК из абсцесса печени (дорожки с нечетным номером) и образцов стула (дорожки с четным номером) 8 пациентов с амебным абсцессом печени: BAN-4 (1 и 2), BAN-5 (3) И 4), БАН-6 (5 и 6), БАН-7 (7 и 8), БАН-8 (9 и 10), БАН-9 (11 и 12), БАН-10 (13 и 14) и БАН -11 (15 и 16).(I – J) Типичный полиморфизм размера продукта ПЦР с использованием образцов ДНК из абсцесса печени (дорожки с нечетным номером) и образцов стула (дорожки с четным номером) 5 пациентов с амебным абсцессом печени из Бангладеш: BAN-12 (1 и 2), BAN-13 (3 и 4), БАН-14 (5 и 6), БАН-15 (7 и 8) и БАН-16 (9 и 10). (K) Полиморфизм размера продукта ПЦР в 3 STR-локусах с использованием образцов ДНК из абсцесса печени (LA) и образцов стула (ST) итальянского пациента с амебным абсцессом печени. (L) полиморфизм размера продукта ПЦР в 3 STR-локусах с использованием образцов ДНК из абсцесса печени (LA) и стула (ST) пациента с амебным абсцессом печени в США.Звездочки указывают на разницу в размере продукта ПЦР в парных образцах.

https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0000219.s003

(3,02 МБ TIF)

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: CC. Проведены эксперименты: ИА СС Ж.А. КГ. Проанализированы данные: IA SS CG AC RH WP CC. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: SR AC SP RH. Написал статью: IA WP CC. Скоординированный сбор образцов Бангладеш: RH. Согласованная коллекция образцов Италии: AC.Скоординированный сбор образцов США: СП.

Ссылки

1. 1. Петри В.А. младший, Хак Р., Лайерли Д., Вайнс Р. Р. (2000) Оценка воздействия амебиаза на здоровье. Паразитол сегодня 16: 320–321.
2. 2. Анонимный (1997) Отчет ВОЗ / ПАОЗ / ЮНЕСКО. Консультация специалистов по амебиазу. Мехико, Мексика, 28–29 января 1997 г. Epidemiol Bull 18: 13–14.
3. 3. Тарлтон Дж. Л., Хак Р., Мондал Д., Шу Дж., Фарр Б. М. и др. (2006) Познавательные эффекты диареи, недоедания и инфекции Entamoeba histolytica на детей школьного возраста в Дакке, Бангладеш.Am J Trop Med Hyg 74: 475–481.
4. 4. Mondal D, Petri WA Jr, Sack RB, Kirkpatrick BD, Haque R (2006) Entamoeba histolytica -ассоциированное диарейное заболевание отрицательно связано с ростом детей дошкольного возраста: данные проспективного исследования. Trans R Soc Trop Med Hyg 100: 1032–1038.
5. 5. Дуггал П., Хак Р., Рой С., Мондал Д., Сак Р. Б. и др. (2004) Влияние аллелей человеческого лейкоцитарного антигена класса II на восприимчивость к инфекции Entamoeba histolytica у детей Бангладеш.J Infect Dis 189: 520–526.
6. 6. Али И.К., Мондал Ю., Рой С., Хак Р., Петри В. А. младший и др. (2007) Доказательства связи между генотипом паразита и исходом инфекции Entamoeba histolytica . J Clin Microbiol 45: 285–289.
7. 7. Али И.К., Заки М., Кларк К.Г. (2005) Использование ПЦР-амплификации связанных с геном тРНК коротких тандемных повторов для генотипирования Entamoeba histolytica . J Clin Microbiol 43: 5842–5847.
8. 8. Айе-Куми П.Ф., Али И.М., Локхарт Л.А., Гилкрист Калифорния, Петри В.А. младший и др.(2001) Entamoeba histolytica : генетическое разнообразие клинических изолятов из Бангладеш, продемонстрированное полиморфизмом гена, богатого серином. Exp Parasitol 99: 80–88.
9. 9. Хак Р., Молла Н.Ю., Али И.К., Алам К., Юбэнкс А. и др. (2000) Диагностика амебного абсцесса печени и кишечной инфекции с помощью теста TechLab Entamoeba histolytica II и тестов на антитела. J Clin Microbiol 38: 3235–3239.
10. 10. Calderaro A, Gorrini C, Bommezzadri S, Piccolo G, Dettori G и др.(2006) Entamoeba histolytica и Entamoeba dispar: сравнение двух ПЦР-тестов для диагностики в неэндемичных условиях. Trans R Soc Trop Med Hyg 100: 450–457.
11. 11. Corpet F (1988) Множественное выравнивание последовательностей с иерархической кластеризацией. Nucleic Acids Res 16: 10881–10890.
12. 12. Кларк К.Г., Али И.К., Заки М., Лофтус Б.Дж., Холл Н. (2006) Уникальная организация генов тРНК в Entamoeba histolytica . Mol Biochem Parasitol 146: 24–29.
13. 13. Тавари Б., Али И.К., Скотт С., Квейл М., Берриман М. и др. (2008) Закономерности эволюции уникальных массивов генов тРНК рода Entamoeba . Mol Biol Evol 25: 187–198.
14. 14. Куэрво П., Куполильо Э., Нехме Н., Эрнандес В., Саравиа Н. и др. (2004) Leishmania (Viannia) : генетический анализ кожных и слизистых штаммов, выделенных у одного и того же пациента. Exp Parasitol 108: 59–66.
15. 15. Haghighi A, Kobayashi S, Takeuchi T, Masuda G, Nozaki T (2002) Замечательный генетический полиморфизм среди изолятов Entamoeba histolytica из ограниченной географической области.J Clin Microbiol 40: 4081-4090.
16. 16. Haghighi A, Kobayashi S, Takeuchi T., Thammapalerd N, Nozaki T (2003) Географическое разнообразие среди генотипов полевых изолятов Entamoeba histolytica . J Clin Microbiol 41: 3748–3756.
17. 17. Kohler S, Tannich E (1993) Семейство транскриптов (K2) Entamoeba histolytica содержит полиморфные повторяющиеся области с высококонсервативными элементами. Mol Biochem Parasitol 59: 49–58.
18. 18.Stanley SL Jr, Becker A, Kunz-Jenkins C, Foster L, Li E (1990) Клонирование и экспрессия мембранного антигена Entamoeba histolytica , имеющего несколько тандемных повторов. Proc Natl Acad Sci U S A 87: 4976–4980.
19. 19. Blessmann J, Van Linh P, Nu PA, Thi HD, Muller-Myhsok B и др. (2002) Эпидемиология амебиаза в регионе высокой заболеваемости амебным абсцессом печени в центральном Вьетнаме. Am J Trop Med Hyg 66: 578–583.
20. 20. Nozaki T, Kobayashi S, Takeuchi T, Haghighi A (2006) Разнообразие клинических изолятов Entamoeba histolytica в Японии.Arch Med Res 37: 277–279.
21. 21. Eichler EE, Sankoff D (2003) Структурная динамика эволюции эукариотических хромосом. Science 301: 793–797.
22. 22. Pratt-Hyatt MJ, Kapadia KM, Wilson TE, Engelke DR (2006) Повышенная рекомбинация между активными генами тРНК. ДНК Cell Biol 25: 359–364.
23. 23. Katzenstein D, Rickerson V, Braude A (1982) Новые концепции амебного абсцесса печени, полученные на основе визуализации печени, серодиагностики и печеночных ферментов в 67 последовательных случаях в Сан-Диего.Медицина (Балтимор) 61: 237–246.
24. 24. Ирусен Е.М., Джексон Т.Ф., Симджи А.Е. (1992) Бессимптомная кишечная колонизация патогенным Entamoeba histolytica в амебном абсцессе печени: распространенность, ответ на терапию и патогенный потенциал. Clin Infect Dis 14: 889–893.
25. 25. Parija SC, Khairnar K (2007) Обнаружение экскреторной ДНК Entamoeba histolytica в моче и обнаружение ДНК E. histolytica и лектинового антигена в гное абсцесса печени для диагностики амебного абсцесса печени.BMC Microbiol 7: 41
26. 26. Хамано С., Асгарпур А., Строуп С.Е., Винн Т.А., Лейтер Э.Х. и др. (2006) Устойчивость мышей C57BL / 6 к амебиазу опосредуется негемопоэтическими клетками, но требует продукции гемопоэтического IL-10. J Immunol 177: 1208–1213.

В основе донорства органов. Сообщения о случаях донорства органов после сердечной смерти у двух пациентов с успешно восстановленными повреждениями сердца V степени по шкале AAST | World Journal of Emergency Surgery

Случай 1

В отделение неотложной помощи поступил 30-летний мужчина с проникающей колото-резанной ранением левой груди, нанесенной самому себе, обширным (80% общей площади поверхности тела, TBSA) ожогом на всю толщину. травмы и карбонизация.На догоспитальном этапе пациенту интубировали и провели начальную реанимацию путем инфузии кристаллоидов. В ближайший «хаб» он был доставлен на машине скорой помощи в ближайший «хаб». По прибытии у него была гипотензия (систолическое артериальное давление (САД) 80 мм рт.ст.) и тахикардия (частота сердечных сокращений (ЧСС) 150 ударов в минуту). Колото-резаная рана была в третьем межреберье слева, медиальнее среднеключичной линии. Рентген грудной клетки показал левосторонний гипертонический массивный гемопневмоторакс. E-FAST был выполнен, но в подреберье перикард не был оценен, вероятно, из-за акустического барьера, вызванного карбонизацией кожи.Была выполнена левая миниторакотомия и установлен дренаж грудной клетки; за этим последовало немедленное возвращение 3000 мл крови и воздуха. Были выполнены тромбоэластография (ROTEM) и анализ газов артериальной крови (ABG): pH 6,8, избыток оснований (BE) — 22, лактаты 14. Переливали 1 г транексамовой кислоты, две единицы эритроцитов и две единицы плазмы. Пациент был переведен в операционную для выполнения торакотомии. На этапе реанимации специалист провел оценку ожога.Из-за тяжести ожоговых травм прогноз был очень плохим.

В операционной был выполнен разрез створки створки и обнаружено поражение перикарда. Перикардиотомия показала повреждение на всю толщину левого желудочка (степень V по системе OIS-AAST). После установки катетера Фолея в сердечную рану был проведен прямой проленовый шов с использованием металлических скоб. Катетер Фолея был удален без остаточного кровотечения. Установлены двусторонние дренажи грудной клетки и грудная стенка закрыта (дополнительный файл 1).Выполнена двусторонняя эшаротомия нижней конечности. После процедур САД 120 мм рт. После этого применялась целенаправленная терапия коагулопатии по результатам ROTEM.

Пациенту оказана постоянная поддержка в реанимации. Из-за гемодинамической нестабильности была инициирована веноартериальная экстракорпоральная мембранная оксигенация (V-A ECMO). Эта процедура позволила сохранить органы, сделать возможными соответствующие семейные консультации и планирование паллиативной помощи.Во время семейных дискуссий по поводу ухода за пациентами в конце жизни поднималась возможность донорства органов.

Дальнейшая реанимация (таблица 1) позволила подтвердить медицинскую пригодность (таблица 2).

Установление смерти произошло через 23 часа после прибытия пациента в реанимацию. Необходимые процедуры для процесса DCD для терапевтической трансплантации начинались только после установления смерти с помощью кардио-циркуляторных критериев и одобрения семьи.

Медицинская пригодность для донорства печени и почек была оценена Региональным справочным центром по трансплантации. Нормотермическую регионарную перфузию начинали по стандартной методике [7]. После фазы реперфузии печень считалась непригодной для использования из-за ишемического повреждения. Одна почка не была пересажена по техническим причинам. Однако одна почка была успешно пересажена.

Случай 2

Женщина 47 лет поступила в отделение неотложной помощи с тупой грудной клеткой и травмой живота.Ее машина врезалась в автобус возле травматологического центра. Ее тело было извлечено с трудом. На догоспитальном этапе у пациента был 7 GCS, не определяемый SpO2 и явные признаки геморрагического шока. Ее быстро перевели в травматологический центр. По прибытии у нее был явный геморрагический шок. Для экстренной эндотрахеальной интубации была проведена индукция быстрой последовательности с использованием 100 мг кетамина и 100 мг сукцинилхолина. Была выполнена двусторонняя миниторакотомия, но наблюдалось быстрое развитие безимпульсной электрической активности (ПЭА).Рентген грудной клетки показал расширение верхнего средостения и множественные переломы ребер. Рентгенография таза отрицательная. E-FAST показал тампонаду сердца и жидкость в правом верхнем квадранте живота. Был введен 1 мг адреналина, проведена реанимационная торакотомия с перикардиотомией с восстановлением окружности. Были выполнены ROTEM и ABG. Вливали 1 г транексамовой кислоты, две единицы эритроцитов и 2 г фибриногена. Кроме того, она сообщила о открытом переломе правого колена.Пациент переведен в операционную.

В операционной был выполнен разрез раковины моллюска и обнаружено повреждение левого предсердия взрывом на всю толщину (степень V по системе OIS-AAST) (дополнительный файл 2). Проведен прямой проленовый шов. Внутренний массаж сердца и дефибрилляция (30 Дж) потребовались для восстановления ритма из-за начала фибрилляции желудочков. Бикарбонат натрия 8,4% 200 мл, хлорид кальция 3 г, сульфат магния 1 г и амиодарон 300 мг. Также была проведена инфузия норадреналина с целевым САД 110 мм рт.После жидкостной реанимации из-за внезапного вздутия живота была выполнена срочная лапаротомия с признаками разрыва печени и тампонады живота. В операционной выполнялась панаортография; это исключало активное кровотечение. Достигнув частичной стабилизации гемодинамики, было выполнено временное закрытие грудной клетки и брюшной полости. Во время хирургического вмешательства вводили шесть единиц эритроцитов, две единицы свежезамороженной плазмы, одну единицу тромбоцитов и 1 г фибриногена.Пациент был переведен в радиологическое отделение для прохождения компьютерной томографии всего тела и, после исключения других непосредственно опасных для жизни травм, в отделение интенсивной терапии.

Пациент получил постоянную поддержку в отделении интенсивной терапии (таблица 1). Произошла быстрая стабилизация гемодинамики и постепенное улучшение респираторного обмена. В связи с началом острого повреждения почек было начато лечение CVVHDF. Через 72 часа после травмы пациенту было выполнено хирургическое вмешательство по удалению тампонады, окончательному ушиванию брюшной полости, пластике перикарда с помощью биологического протеза свиньи (оставив открытым верхнее окно) и стабилизации ребер.Через пять дней после травмы было проведено первое неврологическое окно с 6 баллами по шкале GCS. Была выполнена чрескожная трахеостомия. Через 13 дней после травмы наблюдались: GCS 3t, миотические, изохорические и нереактивные зрачки, гипертонус нижних конечностей. Электроэнцефалограмма и МРТ головного мозга показали диффузное гипоксически-ишемическое повреждение. Через 16 дней после травмы у пациента наблюдались стойкие GCS 3t, нереактивные зрачки, наличие респираторного триггера, каринального рефлекса и диффузная вялость. Были проведены все необходимые неврологические обследования, чтобы сформулировать правильный прогноз с неврологической точки зрения.

В свете неблагоприятного прогноза и после соответствующей консультации с семьей был начат план паллиативной помощи. Во время семейного обсуждения вопроса об уходе за пациентами в конце жизни была поднята возможность донорства органов.

В таблице 2 представлен клинический статус пациентов до прекращения кардиореспираторной поддержки.

Установление смерти произошло через 16 дней после прибытия пациента в реанимацию. После установления смерти с помощью кардио-циркуляторных критериев и отсутствия возражений со стороны семьи были начаты необходимые процедуры для процесса DCD с целью терапевтической трансплантации.

Оценка медицинской пригодности для донорства печени, легких, почек, кожи и роговицы проводилась Региональным справочным центром по трансплантологии. Нормотермическая региональная перфузия начиналась с размещения двух бедренных канюль (венозной и артериальной) и аортального баллона в контралатеральной бедренной артерии в соответствии со стандартной процедурой [7]. Легкие были признаны непригодными для использования из-за травматических контузий. Успешно пересажены печень и почки.

(PDF) Оптимизация эффективности системы распределения органов США посредством реорганизации регионов

Выделение органов для трансплантации было спорным вопросом в Соединенных Штатах на протяжении десятилетий. В прошлом были разработаны два основных подхода к распределению: (1) распределение органов пациентам с более высоким приоритетом в том же месте; (2) выделять органы пациентам, наиболее нуждающимся в медицинском обслуживании, независимо от их местонахождения. Чтобы уравновесить эти два предпочтения распределения, U.Сеть трансплантации и распределения органов S. недавно внедрила трехуровневую иерархическую систему распределения, разделив США на 11 регионов, состоящих из 59 организаций по закупкам органов (OPO). В настоящее время закупленный орган предлагается сначала на местном уровне, а затем на региональном и национальном уровнях. Целью распределения органов на региональном уровне является повышение вероятности совпадения донор-реципиент по сравнению с первым подходом распределения и повышение качества совпадения по сравнению со вторым подходом.Однако вопрос о том, какая региональная конфигурация наиболее эффективна, остается без ответа. В этой диссертации разработано несколько моделей целочисленного программирования для поиска наиболее эффективного набора регионов. В отличие от предыдущих попыток, наша модель обращается к эффективному дизайну регионов для всей иерархической системы с учетом существующей политики распределения. Чтобы измерить эффективность распределения, мы используем мощность внутрирегионального трансплантата. В диссертации разработаны две оценки. Один — это оценка, основанная на численности населения; другой — оценка, основанная на ситуации, когда в стране всего один лист ожидания.Последняя оценка является уточнением первой, поскольку она отражает влияние распределения на национальном уровне и неоднородности клинических и демографических характеристик среди доноров и пациентов. Чтобы смоделировать распределение на национальном уровне, мы применяем метод моделирования, аналогичный разливу и повторному улавливанию в задаче распределения парка авиакомпаний. В данной диссертации используется имитационная модель, основанная на клинических условиях, для оценки нескольких необходимых параметров аналитической модели и проверки оптимальной региональной конфигурации, полученной с помощью аналитической модели.Результирующая проблема проектирования оптимальной области представляет собой крупномасштабную проблему разделения множеств, в которой слишком много столбцов для явной обработки. Учитывая эту проблему, мы адаптируем отрасль и цену в этой диссертации. Мы разрабатываем задачу ценообразования на смешанное целочисленное программирование, которую трудно решить как теоретически, так и практически. Чтобы облегчить эту существующую вычислительную трудность, мы применяем географическую декомпозицию для решения многих задач ценообразования меньшего масштаба на основе заранее определенных подмножеств OPO вместо большой проблемы ценообразования.При решении каждой более мелкой проблемы ценообразования мы также генерируем несколько « многообещающих » регионов, которые не обязательно оптимальны для проблемы ценообразования. Кроме того, мы пытаемся разработать более эффективные решения проблемы ценообразования, изучая альтернативные формулировки и развивая сильные действительные неравенства. Вычислительные исследования в этой диссертации используют клинические данные и показывают, что (1) региональная реорганизация приносит пользу; (2) наше отраслевое и ценовое приложение эффективно при решении задачи оптимального проектирования области.

Все рисунки в этой области были загружены Nan Kong

Контент может быть защищен авторскими правами.

Как пропадают жизненно важные органы для трансплантации при транспортировке

Эта история также транслировалась на Reveal. Этот рассказ можно переиздать бесплатно (подробности).Когда в 2018 году в самолете Southwest Airlines по ошибке осталось человеческое сердце, специалисты по трансплантологии преуменьшили значение этого инцидента. Они подчеркнули, что этот орган использовался для клапанов и тканей, а не для спасения жизни ожидающего пациента, поэтому задержка была несущественной.

«Это было доставлено к нам вовремя, так что это было самым важным», — сказал Дуг Уилсон, исполнительный вице-президент LifeNet Health, которая руководит операцией по обработке тканей в районе Сиэтла.

Это громкое событие было отклонено как аномалия, но новый анализ данных о трансплантации показывает, что поразительное количество жизненно важных органов потеряно или задерживается после отправки коммерческими рейсами, причем задержки часто делают их непригодными для использования.

В стране, где почти 113 000 человек ждут трансплантации, многие органы — в основном почки — выбрасываются после того, как не достигают места назначения вовремя.

В период с 2014 по 2019 год почти 170 органов не могли быть трансплантированы, и почти 370 органов пережили «опасные случаи» с задержкой на два часа и более из-за проблем с транспортировкой, согласно исследованию Kaiser Health News and Reveal из Центра журналистских расследований. . Медийные организации изучили данные о более чем 8 800 поставках органов и тканей, собранные добровольно и предоставленные по запросу Объединенной сетью обмена органами, или UNOS, некоммерческим государственным подрядчиком, который курирует национальную систему трансплантации.Двадцать два дополнительных органа, классифицированных как «неспособность к транспортировке», в конечном итоге удалось пересадить в другое место.

Сами хирурги часто обращаются в больницы для сбора и транспортировки сердец, которые выживают только через четыре-шесть часов вне тела. Но почки и поджелудочные железы, которые имеют более длительный срок хранения, часто перевозятся в коммерческих целях в качестве груза. Таким образом, они могут пропустить стыковочные рейсы или задержаться, как потерянный багаж. Что еще хуже, они обычно отслеживаются с помощью примитивной системы телефонных звонков и бумажных деклараций, без необходимости GPS или другого электронного отслеживания.

Хирурги-трансплантологи по всей стране, разгневанные и огорченные, сказали KHN, что они потеряли возможность пересадить почки, которые можно было бы использовать в других случаях, из-за логистики.

«У нас были органы, которые остались в самолетах, органы, которые прибывают в аэропорт, а затем не могут быть своевременно сняты с самолета, и мы проводим дополнительные два, три или четыре часа в ожидании, пока кто-нибудь их заберет, — сказал доктор Дэвид Аксельрод, хирург-трансплантолог из Университета Айовы.

Одним из факторов, способствующих этому, является отсутствие национальной системы передачи органов из одного региона в другой, поскольку они соответствуют нуждающемуся удаленному пациенту.

Вместо этого США полагаются на лоскутное одеяло из 58 некоммерческих организаций, называемых организациями по закупке органов, или OPO, для сбора органов из больниц и их упаковки. Команды OPO следят за операциями по удалению органов у доноров, а затем проверяют, правильно ли упакованы органы и промаркированы для отправки и доставки.

Однако оттуда OPO часто полагаются на коммерческих курьеров и авиакомпаний, которые формально не несут ответственности за любые возникающие проблемы.По словам Джинни МакБрайд, исполнительного директора OurLegacy, OPO в Орландо, Флорида, если авиакомпания забывает положить почку в самолет или курьер опаздывает на рейс из-за того, что заблудился или застрял в пробке, никаких последствий нет.

В эпоху, когда потребители могут точно контролировать посылку FedEx или доставку обеда DoorDash, не существует требований по отслеживанию поставок органов в режиме реального времени или оценке того, сколько органов может быть повреждено или потеряно при транспортировке.

«Если Amazon сможет выяснить, когда ваши бумажные полотенца и корм для собак будут доставлены в течение 20–30 минут, то, безусловно, будет разумным, что мы должны отслеживать жизненно важные органы, которые испытывают хроническую нехватку», — сказал Аксельрод.

В течение многих лет органы распределялись в первую очередь на местном и региональном уровне, и эта система привела к значительным различиям во времени ожидания органов по всей стране. В последние годы должностные лица ЮНОС и сообщество трансплантологов, при поддержке федерального правительства, работают, орган за органом, над реструктуризацией того, как это делается.

На фоне этих непрекращающихся усилий по более справедливому распределению органов, а также недавних усилий администрации Трампа по пересмотру системы ухода за почками, не уделяется должного внимания растрате некоторых из этих драгоценных ресурсов, пожертвованных добрыми самаритянами. В прошлом году в среднем девять человек в день умирали в ожидании новой почки.

Семьи доноров и ожидающие пациенты могут никогда не узнать, что случилось с органом, предоставленным любимым человеком, или почему операция отменяется в последнюю минуту.

«Мы не знали, сколько почек было задержано», — сказал Макбрайд из закупочного агентства Орландо.«Это не та цифра, которая для нас прозрачна».

Но, добавила она, она осознает риск: «Я читаю молитву и задерживаю дыхание каждый раз, когда почка покидает наш офис».

46 минут до запаса

В октябре почка, направлявшаяся из OPO Макбрайда во Флориде к пациенту в Северной Каролине, пропустила связь в Атланте. Коробка была четко обозначена как человеческий орган и имела номер телефона, по которому можно было позвонить. Очевидно, не подозревая о срочности, грузовой рабочий Delta просто отложил его для следующего рейса.

Ожидающий хирург-трансплантолог из Гринсборо, Северная Каролина, «был в припадке», — сказала Ким Янг, координатор по восстановлению органов OurLegacy. Если почка не попадет в больницу к 7 часам утра, он не сможет ее использовать. Риск органной недостаточности и шанс смерти увеличиваются с каждым часом, когда почка выходит из организма.

Макбрайду пришлось решить, арендовать ли самолет за 15 000 долларов — или найти курьера, который возьмет почку в ночное время. Она решила отправиться в поездку, и орган прибыл в 6:14.м. — с запасом всего 46 минут.

Четыре месяца спустя трансплантат оказался успешным, сказал МакБрайд.

Delta Air Lines отклонили неоднократные просьбы прокомментировать службу перевозки органов или конкретный инцидент, описанный Макбрайдом.

Несколько местных авиакомпаний, включая Delta, United, American, Southwest и Alaska, предоставляют специальные грузовые услуги для органов с приоритетной посадкой, обработкой и мониторингом. Все они отказались комментировать транспортировку органов.

Путешественники могут этого не осознавать, но каждый год коммерческими рейсами летают тысячи трансплантированных органов — в основном почек, но некоторые поджелудочные железы. По оценкам Роджера Брауна, руководителя Центра органов в UNOS, каждый день таким образом перемещается до 10 органов для трансплантации.

ЮНОС обрабатывает около 1800 таких поставок органов и тканей в год, из которых 1400 приходится на почки.Это небольшая часть из почти 40 000 органов, пересаженных в США в прошлом году, в том числе более 23 000 почек. По данным UNOS, примерно 1 из каждых 6 трансплантированных почек доставляется в страны.

По словам Брауна, в большинстве случаев органы попадают в нужное место без происшествий.

«Мы никогда не избавимся от задержек рейсов. Мы никогда не избавимся от человеческой ошибки », — сказал он. «Мы никогда не собираемся избавляться от человека, который [пытается быть] слишком полезным и, возможно, помещает его в какое-то особенное место, что затем, возможно, создает проблемы ниже по течению.”

Отчеты о проблемах

Сообщений о проблемах предостаточно. В августе сотрудники службы трансплантологии Medical City Dallas сообщили на публичном форуме, что только в том же месяце они потеряли три почки из-за проблем с коммерческими рейсами.

«Один орган был задержан из-за погоды, и следующий доступный рейс был отложен до следующего дня», — говорится в сообщении. «Еще один орган прибыл в аэропорт, но так и не был поставлен на предполагаемый рейс. Третий орган был ошибочно доставлен не в тот аэропорт и пропустил предполагаемый рейс.”

В Кентукки хирург-трансплантолог доктор Малай Шах сказал, что почка, путешествующая по Дельте из Пенсаколы, Флорида, через Атланту, 1 октября находилась в аэропорту Лексингтона в течение трех часов, прежде чем его уведомили, что она там. По его словам, никто не заметил коробки с надписью «человеческий орган для трансплантации».

«Это страшно, — сказал Шах. «Органы, перемещаемые с помощью этого механизма, рассматриваются просто как« багаж »или« груз »».

До террористических атак 11 сентября 2001 года сотрудники OPO могли брать органы через службу безопасности аэропорта и видеть их загруженными в самолет через выход на посадку, сказал Макбрайд.Из-за изменений в протоколе безопасности сотрудники авиакомпаний теперь загружают органы на взлетно-посадочную полосу, где они летают в герметичных грузовых трюмах.

Хотя анекдоты, подобные рассказу Шаха, являются обычным явлением, данных, показывающих, как часто возникают эти транспортные проблемы, мало. Ни одно федеральное агентство, включая Управление ресурсов и услуг здравоохранения или HRSA, которое заключает договор с UNOS, не требует наблюдения за транспортировкой органов для трансплантации.

«Вопросы, связанные с методами транспортировки, используемыми организациями по закупке органов (OPO), решаются напрямую между OPO и центрами трансплантации», — сообщил представитель HRSA Дэвид Боуман в электронном письме.

Airlines» регистрирует перевозки органов во внутренних системах бронирования и в грузовых декларациях, но эти документы не являются общедоступными, и их сводка недоступна, — сказала Кэтрин Эстеп, директор по связям с общественностью Airlines for America, отраслевой торговой группы.

«Живые человеческие органы получают наивысший приоритет», — говорится в заявлении.

Исследователи UNOS отметили влияние транспортных проблем в 2014 году. В период с июля 2014 года по июнь 2015 года они обнаружили 30 выброшенных органов и 109 близких к исчезновению органов.

Но агентство не начинало официально отслеживать ошибки при транспортировке до 2016 года, когда появилась новая компьютерная система. До этого сотрудники Органного центра отслеживали проблемы неформально, с карандашом и бумагой, и информация не проверялась, сказал Браун.

Призывы к более тщательному отслеживанию изнутри системы были встречены с защитной реакцией — или апатией, — сказала Брианна Доби, консультант по пересадке органов Медицинской школы Джонса Хопкинса.

«Если вы говорите вслух о проблемах с органами, они говорят, что это снизит уровень донорства», — сказал Доби. «Это не нормально, когда мы говорим:« Ну, доставка — это сложно ». Это неприемлемый ответ».

Национальная сеть

UNOS была создана в 1984 году после того, как Конгресс принял Закон о национальной трансплантации органов, чтобы решить проблему критической нехватки донорских органов и улучшить подбор и размещение органов. Он призвал национальную сеть гарантировать, что органы, которые нельзя использовать в районе, где они были пожертвованы, были трансплантированы для спасения жизней в другом месте.До этого многие органы терялись просто потому, что бригады по трансплантации не могли вовремя найти подходящих реципиентов.

Закон учредил национальную сеть закупок и трансплантации органов и призвал, чтобы OPTN управлялась частной некоммерческой организацией в соответствии с федеральным контрактом. UNOS, с которым заключен контракт с момента создания OPTN, находится под надзором HRSA, агентства Министерства здравоохранения и социальных служб США.

Сегодня UNOS обычно обрабатывает органы в условиях, которые затрудняют их размещение.Это могут быть органы от пожилых доноров или органы с медицинскими или другими характеристиками, которые затрудняют сопоставление с ними.

В целом, по данным KHN и Reveal, около 7% грузов, обработанных UNOS с июля 2014 года по ноябрь 2019 года, сталкивались с транспортными проблемами. UNOS не будет раскрывать подробную информацию об отдельных поставках, включая даты и места отправки, а также причины сбоев или задержек транспортировки.

Но Браун из Центра органов UNOS сказал, что внутренний анализ показал, что более половины транспортных проблем были связаны с коммерческими авиакомпаниями или аэропортами.Две трети из них были вызваны задержками из-за погодных условий, механическими задержками и отменой рейсов.

Около одной трети проблем с транспортировкой были связаны с поставщиками логистических услуг или наземными курьерами, в основном с задержками получения посылок. Остальные были связаны с отправителем или получателем грузов. Наиболее распространенной проблемой было то, что посылка не была готова к отправке в назначенное время.

Однако, по словам Брауна, плохие результаты не могут быть напрямую связаны с проблемами транспортировки, даже если они действительно случаются.

«Задержка могла быть основной причиной того, что орган не был пересажен», — сказал он. «Это может быть фактор, способствующий этому, или он не может иметь ничего общего с причиной того, что орган не трансплантирован».

Другие эксперты по трансплантологии преуменьшают влияние транспортных проблем. Келли Ранум, президент Ассоциации организаций по закупкам органов, сказала, что она «удивлена ​​тем, насколько низкими являются» показатели отказов UNOS, учитывая объем отгруженных почек.

Доктор Кевин О’Коннор, исполнительный директор LifeCenter Northwest, OPO, базирующегося в Сиэтле, сказал, что проблемы с транспортировкой «минимальны» по сравнению с другими причинами, по которым органы, в том числе около 3500 донорских почек, выбрасываются ежегодно. Обычно к ним относятся результаты биопсии, невозможность найти реципиента и плохая функция органа.

«Более 30 лет и буквально десятки тысяч органов транспортировались, — сказал он, — я могу сосчитать на пальцах одной руки, сколько раз из-за сбоя транспортировки орган в конечном итоге не был трансплантирован.”

Тем не менее, О’Коннор признал, что «даже одна почка, выброшенная из-за ошибок при транспортировке, недопустима».

Отчасти проблема заключается в том, как сейчас транспортируются органы, сказал Аксельрод, который также представляет Американское общество хирургов-трансплантологов.

«У нас нет сквозной единой транспортной системы», — сказал Аксельрод. «У нас нет FedEx для трансплантации. У нас есть собранная система OPO, курьеров, частных самолетов и коммерческих самолетов.”

В последние годы появилось несколько курьерских компаний, которые вышли на рынок трансплантации органов. Дон Джонс, исполнительный директор Национального транспортного альянса по извлечению органов (NORA), заключает контракты с более чем 15 OPO и контролирует около 400 органов в год на коммерческих рейсах.

«Я бы сказал, что 99,8% наших перевозок на коммерческих авиалиниях проходят отлично», — сказал Джонс, основываясь на своей оценке. Джонс отметил, что его фирма отправляет органы только прямыми рейсами и использует GPS-слежение для наблюдения за ними.

Однако GPS-слежение не является универсальным и не требуется для UNOS или HRSA. Его используют некоторые курьеры и авиакомпании; многие не делают. По словам Брауна, многие OPO контролируют органы с помощью комбинации устных передач, автоматизации и сканирования этикеток.

Прошлой осенью Джинни Макбрайд пережила несчастный случай, когда она заключила контракт с курьерской службой Sterling Global Aviation Logistics, которая использовала Delta Air Lines для доставки почки.

Delta использует GPS-трекеры для своих поставок Dash Critical, обещая быструю и гарантированную доставку человеческих органов.Но в ту ночь в октябре почка была отправлена ​​из Орландо в Атланту без GPS-трекера. В Атланте грузовой рабочий не смог найти GPS-навигатор, чтобы надеть ящик с почкой, поэтому рабочий держал орган на время полета. Это вытолкнуло бы его далеко за пределы окна жизнеспособности.

Внутренний отчет Delta, полученный McBride, показал, что Delta не хватило устройств GPS в Атланте той ночью. «Станции назначения не возвращают устройства вовремя», — говорится в сообщении.«Один из способов предотвратить повторение этого — иметь больший инвентарь GPS-устройств (sic) на каждой станции».

Delta отказалась комментировать отчет.

Среднее время ожидания почки сильно различается по стране — от менее трех лет до более чем десяти лет. Одно предложение об использовании большего количества органов призывало к ликвидации 58 зон обслуживания донорства и 11 регионов, которые сейчас используются для выделения почек, и замене их зоной до 500 морских миль от донорской больницы.

В декабре OPTN сократила этот диапазон вдвое — до 250 морских миль — отчасти из-за протестов по поводу проблем с доставкой почек коммерческим воздухом.

«Конечно, нет никаких технологических препятствий для использования GPS и фактического требования к нему», — сказал Браун.

Комитет UNOS рассматривает вопрос о том, следует ли собирать данные о методах и результатах транспортировки, но пока этот вопрос остается в стадии рассмотрения.

«Если сообщество этого хочет, они должны попросить об этом», — сказал Браун.«Мы можем помочь облегчить и сделать это за них».

Макбрайд, которая обсуждала решения со своими коллегами, надеется, что организации по трансплантации объединятся для решения транспортных проблем, чтобы убедиться, что каждая подходящая донорская почка будет трансплантирована.

«Любой утраченный орган, на мой взгляд, является потерей для пациента и общества», — сказал Пол Конвей из Американской ассоциации пациентов с почками, правозащитной группы, который сам является реципиентом почек. «С учетом всех достижений, связанных с лекарствами и медицинскими процедурами, как вы можете допустить, чтобы ошибка логистики стала препятствием?»

Это расследование и связанный с ним подкаст представляют собой сотрудничество Kaiser Health News и Reveal из Центра журналистских расследований (CIR), некоммерческой новостной организации.Reveal от CIR и PRX — это общенациональное общественное радио-шоу и подкаст, посвященный журналистским расследованиям. Kaiser Health News (KHN) — это некоммерческая служба новостей, освещающая вопросы здоровья. Это редакционно независимая программа Фонда семьи Кайзер, не связанная с Kaiser Permanente.

Новое руководство HHS по трансплантации твердых органов: снижение риска и повышение доступности

Организации по закупке органов (OPO) и центры трансплантации должны принять к сведению: как и ожидалось и как указано в нашем недавнем предупреждении о закупке и трансплантации органов, U.S. Министерство здравоохранения и социальных служб (HHS) продолжает уделять приоритетное внимание сокращению списка ожидания трансплантации органов за счет увеличения доступа к трансплантируемым органам. 26 июня 2020 года Служба общественного здравоохранения США (PHS) опубликовала новые рекомендации, призванные поощрять безопасную трансплантацию органов, особенно в тех случаях, когда доноры могли подвергаться риску заражения ВИЧ, вирусом гепатита B (HBV) или вирусом гепатита C (HCV). ). Благодаря прогрессу в тестировании на эти инфекции результаты стали очень точными и, соответственно, резко снизили риск передачи во время трансплантации.Эти руководящие принципы также важны, потому что они предназначены для устранения потенциального недоиспользования органов, которые ранее были классифицированы как находящиеся в зоне «повышенного риска» из-за национальной эпидемии опиоидов.

Предыдущие руководящие принципы PHS требовали, чтобы определенные доноры были классифицированы как «доноры повышенного риска» (IRD). OPOs было поручено оценить донорские риски по 14 категориям, относящимся к определенным медицинским и социальным поведенческим рискам донора в течение 12 месяцев до смерти донора.Если эта информация о доноре была недоступна или если образец крови донора на ВИЧ, HBV или HCV был непригоден для использования, донору назначали IRD. В соответствии с предыдущими рекомендациями требовалось дополнительное тестирование на ВИЧ и конкретное информированное согласие потенциального реципиента трансплантата в отношении риска потенциальной передачи заболевания. Реципиент трансплантата также должен был пройти до- и посттрансплантационный мониторинг на ВИЧ, HBV и HCV.

Неудивительно, и, как сообщили Центры по контролю за заболеваниями (CDC), органы, обозначенные как «IRD», использовались недостаточно.Сообщество трансплантологов выразило обеспокоенность тем, что терминология «донор с повышенным риском» может сыграть роль в сдерживании принятия органа. Несмотря на то, что IRD обычно являются более молодыми кандидатами, часто с более качественными органами, чем стандартные доноры, процент принятия IRD был низким. Согласно CDC, этот показатель оставался низким, даже несмотря на то, что исследования показывают, что кандидаты в списке ожидания трансплантации органов, которые отказываются от органов с IRD, имеют более высокий уровень смертности, чем пациенты, которые принимают органы с IRD.

В 2018 и 2019 годах сообщество трансплантологов и несколько федеральных агентств, включая CDC и Управление ресурсов и служб здравоохранения, предложили возможные улучшения в руководстве PHS.Они пришли к выводу, что существовавшие тогда критерии для обозначения IRD не были клинически значимыми факторами для определения риска ВИЧ, HBV или HCV. OPO повсеместно проводят скрининг на эти инфекции с 2017 года и предложили сократить 12-месячный период. Поскольку количество доноров с факторами риска увеличилось, в значительной степени из-за опиоидного кризиса, группа также пришла к выводу, что все реципиенты должны пройти скрининг после трансплантации из-за неспособности всесторонне и точно оценить факторы риска.Наконец, разработка эффективных методов подавления ВИЧ и HBV и лекарства от HCV была важным фактором для внесения поправок в руководство.

В результате этого и других важных обзоров, включая рассмотрение комментариев общественности, PSH выпустил новые рекомендации по закупке твердых органов и практике трансплантации, которые способствуют повышению приемлемости органов и снижению риска трансплантации. Эти рекомендации делятся на пять категорий:

• Оценка риска доноров
  • OPOs теперь должны определить, присутствовал ли какой-либо из 10 критериев риска у потенциальных доноров органов в течение 30 дней до закупки органов
  • OPO должны прекратить маркировку доноров с ВИЧ, HBV или HCV как «IRD»
• Тестирование доноров твердых органов
  • Все потенциальные доноры органов (живые и умершие) должны пройти тестирование на ВИЧ, ВГВ и ВГС
  • Образцы от умерших доноров должны быть собраны в течение 96 часов до закупки органов, и OPO должны гарантировать, что результаты тестирования доступны во время закупки
  • Тестирование живого донора должно проводиться как можно ближе к операции, но самое большее за 28 дней до получения органа
• Информированное согласие кандидата на трансплантацию
  • OPO должны сообщать о существовании одного или нескольких критериев риска в центры трансплантации
  • Центры трансплантологии должны включать эту информацию в обсуждение информированного согласия с потенциальными реципиентами, но конкретное информированное согласие больше не требуется
  • Центры трансплантации должны, однако, сообщить, что риск невыявленной передачи ВИЧ, HBV и HCV очень низок (но не нулевой), и объяснить, что существуют эффективные методы лечения этих инфекций
  • Центры трансплантации должны сообщить реципиенту, что принятие органа от донора с факторами риска может увеличить шанс на выживание пациента
• Тестирование получателя и вакцинация
  • До- и посттрансплантационное тестирование на ВИЧ, ВГВ и ВГС должно проводиться для всех реципиентов, независимо от критериев риска донора
  • Тестирование перед трансплантацией должно проводиться при поступлении в больницу перед трансплантацией
  • Тестирование после трансплантации следует проводить через 4-6 недель после трансплантации
  • Реципиенты, у которых после трансплантации развиваются признаки и симптомы поражения печени, должны быть повторно обследованы на гепатит
  • Все кандидаты на трансплантацию должны быть вакцинированы против HBV
• Сбор и хранение образцов донора и реципиента
  • ОПН и центры восстановления живых доноров должны хранить образцы донорской крови не менее 10 лет
  • Образцы следует собирать в течение 24 часов до получения органов

Мы продолжаем следить за развитием закупок и трансплантации органов и будем предоставлять дальнейшие рекомендации по мере их появления.Если у вас есть какие-либо вопросы относительно этого предупреждения или влияния этих рекомендаций на вашу организацию, пожалуйста, свяжитесь с Мелоди Хенгерер или членом юридической группы Baker Donelson в области здравоохранения.

Почему мы спим: количественный анализ показывает резкий переход от нейронной реорганизации к восстановлению на раннем этапе развития.

Abstract

Сон выполняет разные функции, в первую очередь восстановление нейронов, очистку метаболитов и реорганизацию цепей. Тем не менее, относительная важность остается предметом горячих споров.Здесь мы создаем новую механистическую основу для понимания и прогнозирования изменений сна в онтогенезе и филогенезе. Мы используем эту теорию, чтобы количественно различать сон, используемый для реорганизации нервной системы, и ее восстановление. Наши результаты показывают резкий переход от 2 до 3 лет у людей. В частности, наши результаты показывают, что различия в сне в зависимости от филогении и в позднем онтогенезе (после 2 или 3 лет у людей) в первую очередь связаны с функционированием сна для восстановления или очищения, в то время как изменения сна во время раннего онтогенеза (до 2 или 3 лет) в первую очередь поддерживать реорганизацию и обучение нейронов.Более того, наш анализ показывает, что нейропластическая реорганизация происходит в основном во время быстрого сна, но не во время медленного сна. Этот переходный период в развитии предполагает сложное взаимодействие между возрастными и эволюционными ограничениями сна.

ВВЕДЕНИЕ

Распространенность сна во время развития и во всем животном мире предполагает, что это биологический процесс, необходимый для выживания. Хотя мы проводим примерно треть нашей жизни во сне, его явная физиологическая и эволюционная функция остается неясной, и выдвигается множество гипотез.Две из ведущих гипотез состоят в том, что сон обеспечивает (i) восстановление и очистку, необходимые для коррекции и предотвращения повреждения нейронов ( 1 — 7 ) и (ii) реорганизацию нейронов, необходимую для обучения и синаптического гомеостаза ( 8 — 13 ). Эти гипотезы убедительны, потому что ни один из этих процессов не может быть легко достигнут в состоянии бодрствования, и есть подтверждающие эмпирические доказательства того, что они происходят во время сна.

Например, длительное недосыпание может привести к смерти у крыс ( 14 ), собак ( 15 ), плодовых мух ( 16 ) и даже людей ( 17 ).Считается, что эти крайние случаи возникают в результате повреждения нейрональных клеток, вызванного метаболическими процессами, которые обычно устраняются удалением повреждающих агентов и восстановлением, которое происходит в основном во время сна ( 2 , 5 ). Более того, недавняя гипотеза, связанная с повреждением нейронов в результате метаболических процессов, заключается в том, что сон управляет метаболическим очищением мозга ( 2 ). Поскольку в мозгу отсутствует проникающая лимфатическая система, спинномозговая жидкость рециркулирует через мозг и удаляет интерстициальные белки, вероятно, через менингеальные лимфатические сосуды ( 18 ).Кроме того, концентрация β-амилоида (Aβ) выше в состоянии бодрствования, чем во время сна, что позволяет предположить, что бодрствование связано с производством (Aβ) ( 3 ), в то время как сон связан с его клиренсом. Это мнение подтверждается увеличением на 60% межстраничного пространства, связанного со сном ( 2 ).

Есть также существенные и прямые доказательства того, что сон способствует нейропластической реорганизации, связанной с обучением и консолидацией памяти, а также регулирует изменение масштаба синапсов.Например, последовательности срабатывания нейронов, которые кодируют пространственные карты, полученные в периоды бодрствования, воспроизводятся во время сна ( 11 , 19 — 21 ). Кроме того, сон способствует росту синапсов, связанных с обучением, и гомеостатическому ослаблению и сокращению редко используемых синапсов ( 12 ). В более общем плане, два недавних исследования демонстрируют, что сон регулирует цикл белков, связанных с синаптическим функционированием ( 22 , 23 ).

Сравнительные исследования, исследования развития, физиологические исследования и исследования на людях были плодотворно использованы для ответа на вопросы о природе сна.Однако, поскольку данные редко анализируются таким образом, чтобы связывать их с математическими моделями или количественными прогнозами, выводы о функции сна продолжали развиваться медленно. В этом контексте мы разрабатываем общую теорию функции сна, которая обеспечивает основу для решения нескольких фундаментальных вопросов, таких как относительная роль восстановления и реорганизации во время сна? И меняются ли они в процессе онтогенетического развития?

Важным количественным наблюдением является то, что время сна систематически уменьшается с увеличением массы тела у млекопитающих ( 1 , 24 ).Более того, доля времени, проведенного в сне с быстрым движением глаз (REM) (также называемом активным сном), не зависит от массы мозга или тела ( 24 ). Поскольку увеличение массы тела сильно коррелирует со снижением удельной скорости метаболизма (т. Е. Скорости метаболизма на единицу массы) и, следовательно, со снижением скорости клеточного повреждения, это убедительно свидетельствует о том, что у более крупных животных для восстановления и поддержания жизни требуется меньше времени. . Эти эмпирические наблюдения привели двоих из нас ( 24 ) к разработке количественной механистической теории для понимания происхождения и функции сна у разных видов, основанной на центральной роли метаболизма как в повреждении, так и в восстановлении.В этой работе был предложен новый анализ эмпирических данных о размере мозга и скорости метаболизма мозга, которые нелинейно зависят от размера тела [с показателем примерно 3/4; ( 24 )] и показали, что размер мозга и скорость метаболизма в нем являются лучшими предикторами времени сна, чем размер тела. Это явилось убедительным доказательством того, что сон в первую очередь связан с восстановлением мозга, а не с другими частями тела. В частности, мы предсказали, что отношение времени сна к времени бодрствования должно уменьшаться с увеличением размера мозга по степенному закону с показателем -14 и, следовательно, оно должно уменьшаться с увеличением веса тела с показателем -16, что хорошо согласуется с данные.Коэффициент масштабирования -14 для размера мозга соответствует тому же масштабированию, что и массовая скорость метаболизма в головном мозге. Теория также дает количественное понимание того, почему пропорция быстрого сна не меняется в зависимости от массы мозга или тела.

Основная цель этой статьи — ответить на интригующий вопрос о том, сохраняются ли эти общие отношения для продолжительности сна во время роста, подразумевая, что онтогенез повторяет филогенез, или возникают ли новые паттерны во время развития, отражающие другое динамическое происхождение сна.Более того, как в процессе развития, так и у разных видов время сна систематически уменьшается с увеличением размера мозга и тела. Но делают ли они это с одинаковой скоростью? И связаны ли они с одной и той же глубинной динамикой? Если появляются новые паттерны, что они говорят о неврологическом развитии и росте мозга? Чтобы ответить на эти вопросы, мы выводим количественную онтогенетическую модель сна для разных видов, которая объединяет онтогенез и филогению в единую структуру, и используем эту модель для анализа данных сна человека от рождения до взрослого человека.Мы сравниваем наши новые результаты с предыдущими эмпирическими и теоретическими результатами о том, как сон меняется в зависимости от филогенеза, чтобы спросить, можно ли объяснить, почему мышь спит примерно в пять раз больше, чем кит, также могут быть использованы для объяснения того, почему младенцы спят примерно в два раза дольше, чем взрослые.

Хотя в предыдущих исследованиях основное внимание уделялось общему времени сна, тому, как оно распределяется между быстрым движением глаз и небыстрым движением глаз (NREM) и как они меняются во время роста ( 25 , 26 ), мы не знаем о каких-либо систематических количественных показателях. механистические модели того, как и почему они меняются по мере взросления детей.Здесь мы объединяем наиболее полные опубликованные данные о сне на протяжении всего человеческого развития и у разных видов с новой механистической моделью, чтобы прояснить функцию сна, показать, как она заметно меняется во время раннего роста, и показать, как это связано с развитием мозга.

В следующем разделе мы разрабатываем основу для моделирования нейрональной репарации / клиренса и реорганизации метаболитов во время сна и покажем, как скорость метаболизма мозга зависит от количества синаптических связей между нейронами.Более того, мы предлагаем общую количественную модель того, как онтогенетически изменяется время сна в зависимости от массы мозга. Затем мы описываем источники и сбор наших данных, а также статистические и численные методы анализа данных. Мы сопоставляем и интегрируем данные об общем времени сна, времени быстрого сна, массе мозга, массе тела, скорости мозгового метаболизма и плотности синапсов на основе систематического обзора литературы. Результирующий набор данных охватывает возраст от 0 до 15 лет и в совокупности представляет около 400 точек данных.Затем мы используем эмпирические данные, чтобы найти паттерны сна в онтогенезе, сравнить их с филогенетическими паттернами и проверить предсказания нашей теоретической основы. Поступая таким образом, мы:

1) разрабатываем отдельные количественные теории как для восстановления / клиренса нейронов, так и для реорганизации нейронов;

2) использовать обширные данные о сне и мозге человека от рождения до взрослого, чтобы четко проверить и различить эти теории;

3) убедительно свидетельствуют об удивительно резком переходе около 2.В возрасте 4 лет основная цель сна — от перестройки нервной системы, которая происходит во время цикла активного сна / REM на раннем этапе развития, до восстановления нейронов и выведения метаболитов на поздних стадиях развития.

Наконец, мы объясняем наши выводы и обсуждаем оставшиеся вопросы и будущие направления.

Структура для прогнозирования времени сна и тестирования функций сна

Наша концептуальная, количественная структура того, как сон изменяется по мере увеличения размера и возраста мозга в процессе развития, основана на ключевых гипотезах о доминирующей функции сна, заключающейся в восстановлении / очищении и / или восстановлении нейронов. или реорганизация.Мы объясняем простые математические эквиваленты, которые приводят к конкретным базовым прогнозам для показателей масштабирования, которые инкапсулируют, как отношения REM, NREM и общего времени сна изменяются с размером мозга.

Теория сна для восстановления нервной системы . Ранее мы построили математическую теорию, которая фокусировалась на восстановлении нейронов в мозге взрослых и эмпирически проверили ряд прогнозов того, как характерные времена для сна меняются в зависимости от размера мозга и тела у разных видов ( 24 ).Теория, которую мы сначала кратко рассмотрим, была подтверждена экспериментами и результатами за последние несколько лет ( 2 ). Уже давно постулируется, и появляется все больше эмпирических и теоретических доказательств в пользу этого, что восстановление нейронов или удаление метаболических отходов является важной функцией сна. Одна из теорий, например, предполагает, что сон играет роль регулирования окислительного стресса в головном мозге, восстанавливая и восстанавливая нейроны, поврежденные этим окислительным стрессом ( 7 ).Также было обнаружено, что производство окислителей в мозге во время бодрствования способствует сну ( 27 ).

Основа нашей теории состоит в том, что общая сумма нанесенного ущерба и / или накопление повреждающих агентов во время бодрствования должно быть обращено вспять или нейтрализовано восстановлением во время сна. В отличие от других органов, для правильного восстановления неврологических повреждений крайне важно обеспечить непрерывную функциональность всего организма. Общий ущерб, наносимый во время бодрствования, пропорционален удельной скорости метаболизма мозга, B _b (фактически, средняя скорость метаболизма клетки), умноженной на общее время бодрствования, t _А .Чтобы противодействовать этому, общий объем ремонта или очистки, выполненный во время сна, представляет собой плотность мощности, P _R , выделенную для восстановления или очистки во время сна, умноженную на общий объем мозга V _b (∝ M _b ) и общее время сна t _S . Предполагая, что почти все повреждения должны быть восстановлены или устранены для того, чтобы мозг продолжал нормально функционировать и с высокой точностью на протяжении всего роста и взрослой жизни, общее повреждение или накопление повреждающих агентов должно быть уравновешено полным восстановлением или удалением.Это приводит к totStA = cPRBbMb∝BbMb∝Mbα − 1 (1), где c — константа, которая включает эффективность процессов восстановления вместе с долей скорости метаболизма, которая приводит к повреждению через свободные радикалы, метаболические отходы или повреждение сосудов. P _R — это местное количество клеток, которое, как предполагается, не зависит от размера тела или мозга. Следовательно, прогнозируемый масштабный показатель времени сна полностью определяется масштабированием скорости метаболизма мозга, Bb∝Mbα, и, следовательно, его масштабным показателем, α.Для простоты здесь мы также предположили, что все повреждения или накопление повреждающих агентов происходят во время бодрствования и что все восстановление и удаление происходит во время сна. Эту теорию можно просто обобщить, чтобы включить повреждение во время сна и, таким образом, показать, что доминирующие отношения масштабирования не меняются. Это приводит к оценке, что частота повреждений во время сна составляет примерно 1/3 от повреждений во время бодрствования ( 24 ).

Уравнение 1 предсказывает, что отношение времени сна к времени бодрствования следует простой зависимости степенного закона, которая хорошо подтверждается данными ниже.Теория предсказывает, что время сна, t _S , само по себе не подчиняется чистому степенному закону в отношении размера мозга. Скорее всего, это соотношение времени сна и времени бодрствования или времени быстрого сна (раздел S3). Из-за этой функциональной формы традиционные графики в литературе для t _S или ln ( t _S ) в зависимости от ln ( M _b ) будут иметь гораздо большую дисперсию, чем для соответствующих соотношений. и быть гораздо более трудным для интерпретации.

Другое ключевое предсказание этой теории, основанное на репарации нейронов, — это инвариантность доли REM sleeptRtS∝Mb0 (2)

Этот паттерн строго сохраняется для разных видов ( 24 ). Следовательно, проверка того, остается ли он действительным во время развития, поможет выявить, вызван ли сон во время роста в первую очередь восстановлением нейронов или какой-либо другой функцией, такой как нейронная реорганизация.

Теория сна для перестройки нейронов . На раннем этапе развития мозг претерпевает значительные изменения в размере, архитектуре и клеточном составе.Одно из основных изменений — синаптическая пластичность, которая максимальна на раннем этапе развития, после чего снижается до базового взрослого уровня ( 28 ). Это соответствует нервной реорганизации, развитию соматокортикального пути и сокращению, которые лежат в основе зависимой от опыта пластичности и обучения, необходимых для поведения взрослых ( 29 ). Сон необходим для консолидации и оптимизации обучения и управляет лежащими в основе синаптическими процессами, включая формирование, определение размера и сокращение синапсов ( 12 , 13 ).

Теперь мы разрабатываем теорию тех аспектов нейронной реорганизации, которые связаны со сном, сосредоточив внимание на фундаментальной потребности в обработке информации. По аналогии с теорией восстановления, в основе теории лежит учет и уравновешивание скорости информации, воспринимаемой телом, со скоростью, с которой она обрабатывается мозгом. Ключевым компонентом этой модели является то, что объем информации, которую необходимо обработать, воспринимается всем телом, потому что стимулы поступают от всех частей тела через боль, тепло, холод, давление и т. Д.С другой стороны, количество вводимых данных, которые могут быть обработаны, ограничено мозгом и его скоростью метаболизма: B _b . Скорость метаболизма мозга задает темп синаптических изменений, которые включают информацию, собранную периферической нервной системой. Это важное понимание того, что ввод информации связан со всем телом, тогда как ее обработка локализована в мозге, приводит к несоответствию в масштабировании всех процессов сна, поскольку размер мозга и скорость метаболизма мозга нелинейно и по-разному зависят от размера тела. и скорость метаболизма всего тела, B (раздел S4) ( 30 ).

Основной вопрос заключается в том, происходят ли синаптическая пластичность и обработка информации во время одной или обеих из двух основных стадий сна: NREM и REM. Исследования показывают, что оба они важны для обучения и памяти, хотя их относительные роли остаются предметом интенсивных дискуссий ( 31 — 34 ). Данные свидетельствуют о том, что REM может быть больше связан с изменениями локальной цепи, отражающими консолидацию памяти, тогда как во время NREM может доминировать глобальный синаптический гомеостаз и межрегиональная передача памяти ( 13 , 34 ).Другие данные ( 33 , 35 , 36 ) предполагают, что синаптическая обрезка и повторное соединение в основном происходят во время быстрого сна, в то время как другие результаты и аргументы утверждают, что медленный сон происходит тогда, когда происходит обрезка и реорганизация ( 31 ).

Принимая во внимание это противоречие, мы делаем отдельные прогнозы, предполагая примат REM или NREM сна для нейронной реорганизации. Следовательно, наша теория предоставляет количественный тест и средство для различения этих двух противоположных гипотез важности быстрого сна по сравнению с медленным сном путем анализа данных о сне в процессе развития.Для простоты мы представляем наши уравнения в терминах быстрого сна, поскольку прогнозы NREM получаются путем простой замены NREM на REM повсюду в следующих уравнениях.

Предполагая, что (i) локальная реорганизация нейронов, связанная с изменениями в синаптической плотности, в основном происходит во время быстрого сна, (ii) идеализированный синаптогенез происходит равномерно по всему мозгу, и (iii) обмен информацией напрямую связан с использованием энергии, мы связываем количество информации, воспринимаемой телом во время бодрствования, когда организм подвергается воздействию множества стимулов, количество которых обрабатывается мозгом во время сна.

Определение Δ E _{I → σ} как энергия, необходимая для преобразования единицы информации, полученной сенсорными системами, в синаптические изменения в головном мозге, и f _I как часть общей скорости метаболизма, необходимой для воспринимая эту информацию, информация передается в мозг со скоростью, задаваемой ( f _I B ) / Δ E _{I → σ} . Следовательно, общий объем информации, генерируемой во время бодрствования, пропорционален ( f _I Bt _A ) / Δ E _{I → σ} .

Эта информация должна обрабатываться синапсами во время сна ( 37 ). В среднем каждый синапс обрабатывает информацию со скоростью ν, которая, как и все процессы, непосредственно связанные с метаболизмом мозга, должна масштабироваться обратно пропорционально его удельной скорости метаболизма B _b / M _b , т. Е. , обратно пропорционально скорости клеточного метаболизма ( 24 ). Если предположить, что локальные синаптические изменения происходят во время быстрого сна, t _R , общая обработанная информация составит N _σ t _R ν ∝ N _σ B _b t _R / M _b , где N _σ — общее количество синапсов в головном мозге.Мы пренебрегаем терминами, относящимися к формированию и сокращению синапсов в рамках одного и того же цикла сна и бодрствования, потому что это число будет очень маленьким за такой относительно короткий промежуток времени. Наконец, приравняв информацию, обрабатываемую во время сна, к информации, полученной во время бодрствования, и изменив условия, мы имеем tRtA∝fIΔEI → σBMbBbNσ (3)

Чтобы определить, как это соотношение масштабируется с размером мозга и тела, мы сначала признаем, что параметры f _I и Δ E _{I → σ} представляют энергии и проценты, которые обычно инвариантны по отношению к размеру, в отличие от масштабирования биологических скоростей и времен ( 38 ).Чтобы выразить наш результат в терминах размера мозга, M _b , отметим, что у разных видов ( 24 ) и на протяжении всего развития (рис. S1) размер мозга нелинейно масштабируется с размером тела примерно M _b. ∝ М ^3/4 . Сочетание этого с каноническим аллометрическим соотношением для скорости метаболизма всего тела, B ∝ M ^3/4 (действительно в онтогенезе), дает B ∝ M _b .В следующем разделе мы дополнительно утверждаем, что N _σ ∝ B _b , тем самым прогнозируя масштабирование отношения времени быстрого сна к времени бодрствования tRtA∝Mb2Bb2∝Mb2 (1 − α) (4), где α — коэффициент масштабирования, который связывает скорость метаболизма мозга с размером мозга. Это может быть повторно выражено в терминах отношения времени быстрого сна к общему времени сна [которое инвариантно для разных видов ( 24 )] tRtS∝tRtAtAtS∝Mb2 (1-α) tAtS (5)

Таким образом, эмпирическое определение о том, как соотношение t _A / t _S масштабируется в зависимости от размера мозга, обеспечивая прогноз доли времени, проведенного в REM-сне в процессе развития.Как мы покажем ниже, эти отношения обеспечивают хорошее описание данных и важную проверку теории. Кроме того, просто переключая время сна NREM, t _NR , на время сна REM t _R , в приведенных выше уравнениях, мы также получаем прогноз для дополнительного случая, который предполагает приоритет сна NREM для нейронная реорганизация и обработка информации. Это будет заметно отличаться и отличаться от прогнозов для быстрого сна, таким образом обеспечивая четкую индикацию того, когда эти процессы происходят во время цикла сна.

Изменения в развитии мозгового метаболизма, синапсов и белого вещества . Теория восстановления и реорганизации нейронов, разработанная выше, в основном определяется скоростью метаболизма мозга. Чтобы сделать масштабные соотношения для сна полностью предсказуемыми, единственное, что остается неизвестным, — это показатель масштабирования α, который связывает скорость метаболизма мозга с размером мозга. У всех видов мозг можно рассматривать как почти автономный орган с собственной сосудистой системой, снабжаемой в основном единственной сонной артерией, почти так же, как сосудистая система всего тела снабжается энергией через единственную аорту.После теоретического вывода масштабной зависимости скорости метаболизма для всего тела, это предсказывает Bb∝Mb3 / 4, что согласуется с данными для взрослых млекопитающих ( 24 ).

Однако во время раннего онтогенеза мозг претерпевает быстрые изменения в размере и синаптогенезе, которые требуют ослабления оптимизации мощности и других ограничений, которые определяют, как скорость метаболизма увеличивается с размером для зрелых организмов. Следовательно, каноническая теория масштабирования скорости метаболизма должна быть переформулирована, чтобы мозг осознал, что онтогенез не может повторять филогенез.Нейронная передача сигналов и вычисления в мозге чрезвычайно дороги, на их долю приходится от 80 до 90% его метаболических затрат ( 39 , 40 ). Эти сигналы и вычисления реализуются посредством паттернов нейронных синаптических связей. Поэтому естественно сосредоточить внимание на количестве синапсов как на главном двигателе скорости метаболизма мозга, а не на количестве нейронов ( 28 ). Основная функция этих соединений — регулировать электрические сигналы через аксоны, которые передают информацию через нейронные сети, чтобы собирать и обрабатывать информацию, чтобы учиться и реагировать ( 41 ).Важно отметить, что, поскольку количество синапсов быстро увеличивается на раннем этапе развития, они вызывают ассоциированное увеличение глиальных клеток, которые также обладают высокой метаболической активностью. После этого первоначального увеличения количества синапсов они впоследствии отсекаются как часть процесса обучения и реорганизации в соответствии с принципом Хебба, согласно которому нейроны, которые активируются вместе, соединяются вместе.

Следовательно, скорость церебрального метаболизма на ранних стадиях развития пропорциональна общему количеству уже имеющихся синапсов плюс скорость, с которой необходимо подавать энергию для роста новых.Это согласуется с предыдущими работами, показывающими неизменность скорости церебрального метаболизма на синапс в процессе развития у млекопитающих. Поскольку большинство нейронов в мозге взрослого человека уже присутствует при рождении или вскоре после него, с очень медленным увеличением их числа во время развития и во взрослом возрасте ( 42 ), скорость метаболизма, посвященная существующим синапсам в любой момент времени, намного превышает что нужно было создать новые.

Увеличение числа синапсов после рождения в значительной степени представляет собой соединение ранее существовавших нейронов, дополнительно подчеркивая зависимость изменений скорости метаболизма от числа синапсов, а не от числа нейронов.

В результате мы предсказываем, что скорость метаболизма в мозге должна масштабироваться приблизительно линейно с общим количеством синапсов или, что то же самое, что его массовая скорость метаболизма должна линейно масштабироваться с синаптической плотностью. Кроме того, после рождения увеличение массы мозга происходит в основном из-за увеличения массы глиальных клеток и нейронов в сером веществе, а также за счет миелинизации аксонов в белом веществе ( 43 ). Основная функция глиальных клеток — поддерживать синаптическую активность, поэтому увеличение белого вещества происходит за счет увеличения синаптической потребности.Аналогичным образом, увеличение миелинизации отражает потребность в увеличении скорости и пропускной способности передачи аксональной информации по мере увеличения количества синапсов на аксон. Следовательно, мы ожидаем, что число синапсов будет приблизительно линейно масштабироваться с объемом белого вещества, V _w Bb∝Nσ∝Vw∝Mbα (6) Nσ = ρσVbrain∝Mbrain0.39Mbrain0.91∝Mbrain1.3 (7)

Предыдущий исследования среди видов показали, что объем белого вещества увеличивается сверхлинейно (коэффициент масштабирования> 1) с объемом серого вещества, V _г , у разных видов ( 44 ).Если аналогичный результат сохраняется во время разработки, что мы проверяем ниже, это будет предсказывать сверхлинейное масштабирование (α> 1) скорости метаболизма мозга в зависимости от размера мозга. Этот результат означает, что скорость метаболизма в мозге на грамм ткани или на клетку фактически увеличивается во время развития, в отличие от всех других масштабных соотношений между скоростью метаболизма и размером мозга или тела.

Согласование между таким сверхлинейным масштабированием по развитию и сублинейным аллометрическим масштабированием по видам можно понять двояко.Во-первых, у взрослых количество связей линейно масштабируется с количеством нейронов у разных видов, представляя примерно постоянную синаптическую плотность взрослых, которая реализуется после завершения обрезки ( 45 ). Во-вторых, у взрослых количество нейронов в головном мозге нелинейно масштабируется примерно как 3/4 степени с размером мозга у разных видов ( 24 ).

Заметный фазовый переход в функции сна, связанный с развитием мозга . Как обсуждается ниже, основной переход в развитии мозга ( 46 , 47 ) и росте происходит у людей в возрасте от 2 до 3 лет, что связано со стабилизацией синаптического роста и связности ( 28 , 45 , 48 , 49 ).Согласно нашей теории, сон неразрывно связан с развитием, функцией и скоростью метаболизма мозга. Следовательно, мы прогнозируем резкий и заметный переход в масштабировании функции сна примерно в этом возрасте. Такой переход отражает фундаментальное изменение в развитии мозга, которое происходит вскоре после пика синаптической плотности, когда паттерны связности в мозге начинают стабилизироваться. На этом этапе функция сна переходит от доминирования нервной реорганизации к нейронному ремонту и поддержанию.Поскольку прогнозируется, что доля быстрого сна изменяется с размером в режиме, когда нейронная реорганизация доминирует, но является инвариантной для нейронной репарации, мы можем ожидать классический фазовый переход, аналогичный тому, когда вода замерзает до льда. Математически это проявится как разрыв в первой производной в подгонке. Ниже мы представляем анализ данных, чтобы подтвердить это замечательное предсказание и показать, что это происходит примерно в 2,4 года. Насколько нам известно, этот резкий переход в функции сна, его одновременность с изменением скорости синаптогенеза и плотности синапсов, а также связанное с ним масштабное поведение не были ранее ни предсказаны, ни задокументированы.Это примечательно, учитывая, что этот сдвиг, вероятно, сигнализирует о глубоком сдвиге в функции сна и поведении процессов сна.

МЕТОДЫ

Эмпирические данные

Для проведения эмпирических тестов предсказаний наших моделей мы изучили литературу на предмет доступных данных о времени сна, времени быстрого сна, размере мозга, скорости метаболизма мозга, размере тела, скорости метаболизма тела и другие важные факторы для человека в период роста от рождения до взрослого возраста. В совокупности скомпилированные данные содержат около 400 точек, в основном соответствующих возрастному диапазону от 0 до 15 лет.Каждый тип данных — время сна, вес мозга и время быстрого сна — имеет один и тот же источник и идентичные методы. То есть нет никакой разницы между источником или методом измерения данных по возрасту. В исследовании Galland et al. ( 25 ) содержал 105 точек данных для времени сна людей в возрасте от 0 до 12 лет. В исследовании были взяты данные от нескольких человек и представлены планки погрешностей по времени сна в качестве среднего значения ± 1,96 стандартного отклонения для приблизительного 95% доверительного интервала. Дополнительные данные (40 точек данных) были получены Dekaban et al. ( 50 ) для веса мозга детей от 0 до 20 лет. Поскольку мы не учитываем влияние гендерных различий, мы объединяем эти данные, вычисляя среднее значение веса мозга и веса тела мужчин и женщин. Данные о процентном соотношении времени быстрого сна в онтогенезе и до 18 лет были найдены Roffwarg et al. ( 26 ). Кроме того, значения скорости метаболизма (SMR) во время сна в возрасте от 0 до 1 года взяты Reichman et al. ( 51 ).Они провели повторные измерения SMR в возрасте 1,5, 3, 6, 9 и 12 месяцев у 43 здоровых новорожденных. Чтобы лучше проверить связь между белым веществом, плотностью синапсов и скоростью церебрального метаболизма, мы также используем онтогенетические данные по скорости церебрального метаболизма (28 точек данных) и синаптической плотности (12 точек данных) для детей от 0 до 15 лет по Feinberg et al. . ( 28 ), а также данные по объему белого и серого вещества ( 52 ) от 0 до примерно 3 лет. Поскольку числовые значения или табличные данные редко публиковались для этих исследований, программное обеспечение DataThief использовалось для сбора данных с графиков.Более того, при построении графика одного набора данных по сравнению с другим возраст не всегда был полностью выровнен, поэтому мы использовали интерполяцию для получения значений для одного и того же возраста для этих случаев. Мы хотим подчеркнуть, что каждый тип данных — время сна, вес мозга, время быстрого сна и скорость метаболизма — цитируется из отдельного источника. Однако некоторые из источников сами по себе являются компиляциями предыдущих исследований, что означает, что даже для одного типа данных данные могут поступать из разных групп и исследований. Для получения полной информации см. Первоисточники.Как поясняется далее в Обсуждении, эти различия между группами и исследованиями не вносят какой-либо систематической ошибки в определяемые нами точки перехода.

Анализ данных

Чтобы выявить закономерности в этих данных, мы проверяем взаимосвязь между временем сна, размером мозга и скоростью метаболизма у людей. В частности, мы анализируем данные из этих различных источников, строя графики, вычисляя корреляции между переменными и измеряя наклоны и показатели, чтобы проверить, соответствуют ли эмпирические значения нашим теоретическим предсказаниям.

Мы фокусируем наш анализ на возрастах от 0 до 12 лет, потому что данные показывают, что соответствующие переменные в основном стабилизируются после 12 лет. При проведении нашего анализа мы отмечаем, что этот период сам по себе может быть разделен на два различных режима, и обсуждаем, как в это время меняются относительные роли ремонта / очистки и реорганизации. Разделив данные на два отдельных режима, логарифмические графики точно следуют прямой линии для каждого из этих двух режимов. Поскольку биологические и физические изменения обычно носят непрерывный характер, мы требуем, чтобы линия до и линия после перехода непрерывно соединялись друг с другом.Сначала мы выбираем эту точку пересечения ( x ₀ , y ₀ ), а затем используем две линии y = k ₁ ( x — x ₀ ) + y ₀ и y = k ₂ ( x — x ₀ ) + y ₀ для соответствия данным. Мы определяем наилучшее значение k ₁ и k ₂ , а также точку пересечения ( x ₀ , y ₀ ) путем минимизации суммы квадратичные ошибки (SSE) (см. раздел S5).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Скорость метаболизма в головном мозге является фундаментальной для наших теорий сна для восстановления нервной системы и ее реорганизации. Таким образом, мы начинаем с анализа нашего собранного набора данных, чтобы определить масштабные отношения между скоростью метаболизма мозга, общим количеством синапсов, объемом белого вещества и размером мозга (см. Уравнение 6). Они будут использоваться для проверки наших прогнозов и определения показателя степени α, необходимого для завершения количественных прогнозов времени сна, выраженного в уравнениях. 1 к 5.Мы разделяем анализ данных сна на две отдельные фазы сна на основе прогнозируемого и статистически определенного перехода, который происходит между 2 и 3 годами. На рисунке 1 показаны три графика, на которых оцениваются наши основные прогнозы для этих количеств на ранней стадии разработки до этого перехода.

( A ) График зависимости логарифма скорости церебрального метаболизма от логарифма массы мозга до перехода с измеренным наклоном 1.60. ( B ) График зависимости логарифма числа синапсов от логарифма массы мозга до перехода с измеренным наклоном 1,23. ( C ) График зависимости логарифма объема белого вещества от логарифма массы мозга до перехода с измеренным наклоном 1,21. Кроме того, на верхних горизонтальных осях показан соответствующий возраст в годах.

Во-первых, на рис. 1А показан логарифмический график SMR мозга в зависимости от его массы (килограмм). Это показывает замечательное сверхлинейное поведение с показателем α = 1.60 ± 0,40, что подтверждает наш прогноз суперлинейного масштабирования на основе масштабирования белого и серого вещества. В частности, это сильно противоречит всем нормальным паттернам отношений аллометрического масштабирования между видами, которые неизменно являются сублинейными (то есть с показателями <1) ( 38 ). Это происходит из-за того, что в процессе развития мозг становится все более энергетически более дорогостоящим, и это резко контрастирует с энергетикой всех других тканей и органов тела, где преобладает эффект масштаба.В этом случае, чем больше организм (или орган), тем меньше метаболическая мощность требуется на единицу массы ткани. С другой стороны, сверхлинейное масштабирование означает прямо противоположное: чем больше организм (или, в данном случае, мозг), тем больше метаболической энергии требуется на единицу массы ткани или на клетку.

Во-вторых, рис. 1B показывает аналогичный логарифмический график для количества синапсов в зависимости от массы мозга. Число синапсов — это просто произведение синаптической плотности ρ _σ , обычно измеряемой по отношению к локальному участку объема серого вещества, и объема серого вещества в головном мозге, V _г : N _σ = ρ _σ V _г (рис.1B и раздел S6) дает коэффициент масштабирования 1,23 ± 0,09, что согласуется с нашим прогнозом (уравнение 6), полученным на основе масштабирования скорости метаболизма мозга и масштабирования белого вещества с серым веществом для разных видов.

Наконец, мы оцениваем наши прогнозы на основе гораздо более детально измеренного свойства, а именно, объема белого вещества как функции массы мозга. На рисунке 1C показан график этой зависимости, который показывает коэффициент масштабирования 1,21 ± 0,08, что соответствует нашим прогнозам и двум другим оценкам α.

Эти результаты показывают, что значение сверхлинейной экспоненты α находится в диапазоне от 1,20 до 1,60. Теперь мы используем это в уравнениях. От 1 до 5 для прогнозирования соотношения времени сна, например, t _S / t _A и t _R / t _S , масштабируется в зависимости от размера мозга и тела. Напомним, что прогнозы зависят от того, зависит ли функция сна от восстановления или реорганизации нейронов. Если это основано на нейронном ремонте, уравнение. 1 предсказывает, что t _S / t _A масштабируется с показателем степени между 0.20 и 0,60 и что доля быстрого сна t _R / t _S инвариантна по отношению к массе мозга. Напротив, если нейронная реорганизация преобладает, мы прогнозируем из ( 4 ), что t _R / t _A масштабируется с показателем от -1,20 до -0,40, если в основном вызвано быстрым сном, тогда как если оно управляется главным образом спящим режимом NREM, t _NR / t _A масштабируется с показателем степени от -1.20 и -0,40. Это обеспечивает удивительно чистый тест для различения различных механизмов, лежащих в основе сна, и того, происходят ли они во время быстрого или медленного сна.

На рис. 2 мы анализируем данные и предоставляем убедительные статистические доказательства существования и резкости перехода от раннего к позднему развитию. Чтобы определить местоположение перехода и измерить его резкость, мы сосредотачиваемся на двух независимых показателях сна, которые связаны с общим временем сна и компромиссом NREM / REM, t _S / t _A и т _NR / т _A .Чтобы определить точку перехода в массе мозга для каждого из этих соотношений сна, мы выбираем все возможные точки разрыва в данных для M _b и вычисляем соответствующие SSE остатков по двум наиболее подходящим прямым линиям с каждой стороны. каждой возможной точки останова. Как видно на рис. 2, есть уникальные и резкие минимумы почти при одинаковом значении M _b на обоих графиках, что соответствует одному и тому же возрасту развития. На основе этих результатов мы идентифицируем точку перехода как 2.4 года, что соответствует возрастному диапазону от 2 до 3 лет, который соответствует многим известным изменениям в развитии мозга ( 46 — 48 ).

Графики суммы квадратов ошибок для остатков двух линий наилучшего соответствия данным для ( A ) ln ( t _S / t _A ) и ( B ) ln ( t _NR / t _A ) по обе стороны от точки излома в линиях, которая соответствует этому значению логарифма массы мозга ( M _b ).Минимум каждой кривой определяется как точка перехода, которая разделяет функцию сна на раннюю и позднюю стадии развития, как описано в нашей теории. Эти минимумы уникальны и имеют значения M _b = 1,14 кг для перехода в т _S / t _A и M _b = 1,15 кг для перехода в т. _NR / t _A , что соответствует возрасту от 2,4 до 2,5 лет соответственно.Кроме того, на верхних горизонтальных осях показан соответствующий возраст в годах. SSE, сумма квадратов ошибок.

На рис. 3 мы представляем графики различных соотношений времени сна в зависимости от массы мозга, ясно демонстрируя, что все данные для соотношений времени сна демонстрируют четкий переход от раннего к позднему развитию. Используя наши скомпилированные данные о развитии сна у людей, мы проверяем предсказания теории и, таким образом, можем определить основные механизмы сна.

( A ) График логарифма отношения общего времени сна к общему времени бодрствования в день в зависимости от логарифма массы мозга с измеренным наклоном -0,33 до перехода и -3,50 после него. ( B ) График логарифма отношения времени быстрого сна к общему времени сна в день в зависимости от логарифма массы мозга с измеренным наклоном -0,60 до перехода и -0,01 после. ( C ) График логарифма отношения времени быстрого сна к общему времени бодрствования в день в зависимости от логарифма массы мозга с измеренным наклоном -1.00 до перехода и −5,10 после. ( D ) График логарифма отношения времени NREM-сна к общему времени бодрствования в день в зависимости от логарифма массы мозга с измеренным наклоном 0,09 до перехода и -3,16 после. Кроме того, на верхних горизонтальных осях показан соответствующий возраст в годах.

На рисунке 3A показано, что коэффициент масштабирования отношения времени сна к времени бодрствования, t _S / t _A , на ранней стадии разработки (<2,4 года) равен -0.33 ± 0,07, в противоположном направлении (уменьшаясь с размером, а не увеличиваясь) и сильно расходится с прогнозами восстановления нейронов. Точно так же на рис. 3B мы видим, что коэффициент масштабирования для доли быстрого сна, t _R / t _S , составляет -0,60 ± 0,06 на ранней стадии разработки, что снова полностью противоречит инвариантности. предсказано из нейронального ремонта. С другой стороны, как показано на фиг. 3C, отношение времени REM-сна к времени бодрствования, t _R / t _A , имеет показатель -1.00 ± 0,05, что согласуется с прогнозом, который предполагает, что функция сна в первую очередь обусловлена ​​нейронной реорганизацией во время быстрого сна. Наконец, в качестве проверки согласованности на рис. 3D показано, что соответствующий показатель отношения времени сна NREM к времени бодрствования, t _NR / t _A , соответствует 0,09 ± 0,09. является инвариантом и сильно противоречит прогнозам, предполагающим, что функция сна в первую очередь управляется нейронной реорганизацией во время медленного сна.

В качестве дополнительной проверки наших прогнозов мы вернемся к формуле. 5. Поскольку наблюдаемое масштабирование t _S / t _A имеет показатель -0,33, теория, основанная на REM-сне для нейронной реорганизации, предсказывала бы, что показатель для доли REM-сна, t _R / t _S , должно быть между -0,87 и -0,07. Это существенно отличается от инвариантности, предсказанной на основе нейронной репарации, и подразумевает, что эмпирически измеренный показатель степени -0.60 обеспечивает дополнительную поддержку функции сна на раннем этапе развития, будучи связанным с нейронной реорганизацией во время быстрого сна.

Подводя итог, можно сказать, что когда теоретические предсказания сопоставляются с эмпирическими данными, единственным последовательным механизмом является то, что функция сна на раннем этапе развития в первую очередь определяется нейронной реорганизацией во время быстрого сна. Не менее важно, что все другие механизмы решительно отвергаются, что можно увидеть, сравнив измеренные показатели масштабирования и их доверительные интервалы с рис.От 1 до 3 с предсказаниями нашей теории (см. Таблицу 1).

Краткое изложение основных эмпирических результатов и теоретических тестов нашей модели для различных соотношений времени сна в первом столбце в период раннего развития (<2,4 года). Второй столбец содержит значения и 95% доверительные интервалы для показателей масштабирования, определенные из прямых эмпирических данных, тогда как с третьего по пятый столбцы содержат диапазоны прогнозируемых значений для показателей масштабирования, основанные на теориях о том, что функция сна в первую очередь предназначена для реорганизации нейронов в либо быстрый сон (третий столбец), либо медленный сон (четвертый столбец), либо он предназначен в первую очередь для восстановления нервной системы (пятый столбец).Диапазон прогнозируемых значений рассчитывается в каждом случае с использованием трех наиболее подходящих оценок для показателя масштабирования α из рис. 1. NA означает, что соответствующая теория не делает прогнозов для этой конкретной переменной. Прогнозы, соответствующие данным, выделены жирным шрифтом. Что касается этих данных, все предсказания теории о том, что функция сна на раннем этапе развития в первую очередь связана с нейронной реорганизацией в фазе быстрого сна, поддерживаются, в то время как предсказания теории о том, что на раннем этапе развития функция сна в первую очередь связана с восстановлением нервной системы или нервной системой. реорганизация во время медленного сна все отклоняется.

Результат, заключающийся в том, что время быстрого сна занимает около 50% от общего времени сна для новорожденных, тогда как люди старше 50 лет проводят только около 14-15% своего времени сна в фазе быстрого сна ( 26 ), является особенно заметным результатом. . Это онтогенетическое изменение принципиально отличается от паттерна, наблюдаемого филогенетически, то есть у разных видов, у которых доля времени, проведенного в фазе быстрого сна, не меняется от мышей к китам. Тем не менее, онтогенетические изменения одинаковы для филогении ( 26 , 53 , 54 ).Снижение доли REM-сна убедительно свидетельствует об уменьшении важности реорганизации как функции для сна после примерно человеческого возраста 2,4 года и, соответственно, подъеме репарации и / или клиренса как основной функции в более позднем развитии (Таблица 2) . То есть по мере нашего роста преобладание во сне процессов нейронной реорганизации переходит в преобладание нейрональной репарации и клиренса. Чтобы проверить это, мы подбираем данные для т _R / т _S после точки перехода (рис.3B) и обнаружили, что его наклон незначительно отличается от 0 и, следовательно, согласуется с тем, что он является инвариантом, как и у взрослых млекопитающих.

Сводка основных эмпирических результатов и теоретических тестов нашей модели для различных соотношений времени сна в первом столбце в период позднего развития (> 2,4 года). Второй столбец содержит значения и 95% доверительные интервалы показателей масштабирования, определенные из прямых эмпирических данных, тогда как столбцы с третьего по пятый содержат диапазоны прогнозируемых значений показателей масштабирования, основанные на теориях о том, что функция сна в первую очередь предназначена для реорганизации нейронов. либо быстрый сон (третий столбец), либо медленный сон (четвертый столбец), либо он предназначен в первую очередь для восстановления нервной системы (пятый столбец).95% доверительные интервалы для прогнозов выводятся из доверительных интервалов, определенных для показателя масштабирования α = — 1,70 ± 1,66 в более поздних разработках (рис. S2). NA означает, что соответствующая теория не делает прогнозов для этой конкретной переменной. Прогнозы, соответствующие данным, выделены жирным шрифтом. Что касается этих данных, все предсказания теории о том, что функция сна во время раннего развития в первую очередь связана с восстановлением и очищением нейронов, поддерживаются, в то время как предсказания теории о том, что во время раннего развития функция сна в первую очередь связана с реорганизацией нейронов в фазе быстрого сна или медленной фазы быстрого сна. сон все отвергнут.

Более того, если мы попытаемся провести линию через эти данные, чтобы соединить ее с линией в нашей точке перехода, мы получим значение R ² , равное -0,33 (отрицательный знак из-за фиксации y intercept), что указывает на ужасную посадку. Вместе это означает, что в более позднем развитии, а также между видами, масштабирование доли быстрого сна согласуется с предсказанием его инвариантности, основанным на важности восстановления нейронов и очищения для функции сна.Кроме того, подгонки указывают на то, что существует фактическая неоднородность наклона (т. Е. Первая производная) этого свойства, соответствующая в терминологии физики истинному фазовому переходу и указывающая на сейсмическое изменение сна и функции мозга в этом раннем возрасте примерно 3 года.

В качестве дополнительной поддержки идеи о том, что функция сна в более позднем развитии связана с восстановлением и очищением нейронов, мы измеряем коэффициент масштабирования скорости метаболизма мозга, α, за пределами этого перехода (раздел S7) и находим значение -1.70 ± 1,66. Используя это в формуле. 1 предсказывает, что т _S / т должен масштабироваться в этом режиме с показателем -2,70 ± 1,66, что согласуется со значением -3,50 ± 0,12, измеренным на рис. 3A. Вместе это обеспечивает убедительные доказательства в пользу того, что функция сна в первую очередь связана с восстановлением и очищением нейронов во время более позднего развития, старше 3 лет, а также во взрослом возрасте и у разных видов ( 24 ).

Итак, наши основные результаты таковы:

1) Определить точную точку перехода функции сна от реорганизации к восстановлению в головном мозге и признать, что она точно соответствует переходам в развитии мозга;

2) Чтобы количественно продемонстрировать, что этот переход, который происходит на 2.4 года, это замечательно резкое и аналогично фазовому переходу или переломному моменту, когда вода замерзает до льда;

3) Показать, что данные подтверждают теорию реорганизации сна REM до этого раннего перехода и полностью исключают как реорганизацию, основанную на NREM, так и механизмы, управляемые восстановлением.

4) Показать, что теории функции сна в позднем развитии, основанные на реорганизации нейронов во время быстрого или медленного сна, полностью исключаются данными.

ОБСУЖДЕНИЕ

Сон — настолько укоренившаяся и необходимая часть нашей жизни, что мы часто воспринимаем его функции и происхождение как должное. Если предположить, что сон эволюционировал для выполнения какой-то основной функции, почти наверняка многие физиологические функции были связаны с этой распространенной и трудоемкой особенностью жизни животных. Здесь, выводя новую теорию, собирая исчерпывающие данные о сне и развитии мозга и количественно сравнивая онтогенез сна с филогенезом сна, мы освещаем доминирующие функции сна и то, как они меняются в процессе развития.Младенцы проводят гораздо больший процент времени в фазе быстрого сна, чем дети старшего возраста и взрослые. Это открытие предполагает, что быстрый сон, вероятно, имеет решающее значение для начального роста младенцев и, возможно, особенно для регуляции синаптического веса во всей нервной системе ( 55 ). Эти существенные изменения процента быстрого сна в процессе роста человека резко контрастируют с постоянным процентом быстрого сна, наблюдаемым в огромном диапазоне размеров мозга и тела взрослых млекопитающих ( 24 ).Значительное изменение процента быстрого сна в процессе развития, таким образом, является ключевым показателем того, что функция сна, особенно быстрого сна, во время развития сильно отличается от функции у взрослых. Это показывает, что онтогенез не повторяет филогенез, потому что онтогенез не обнаруживает качественно сходных с филогенезом паттернов быстрого сна. Скорее, он отличается от него самым фундаментальным образом (например, инвариантность в сравнении с быстрым изменением) и демонстрирует фазовый переход между ранним и поздним развитием.

В нашем анализе мы делим развитие на два режима: ранний период высокой пластичности, сопровождающийся продолжающимся синаптогенезом и усилением миелинизации, за которым следует более поздний период снижения пластичности, медленной отсечения синапсов, увеличения целостности белого вещества и стабилизации связности. Наша новая теория, математические модели и анализ данных предоставляют убедительные доказательства того, что эти фундаментальные различия возникают из-за того, что сон используется в основном для нейронной реорганизации примерно до 2–3 лет, когда наступает критический переход, и функция резко меняется. в сторону сна для ремонта и очистки.Мы определяем, что конкретный поворотный момент наступает в неожиданно точном возрасте около 2,4 лет, что отражает критическое физиологическое или церебральное изменение в развитии. Во всех случаях мы видим резкий сдвиг в увеличении сна в течение этого периода раннего развития, который, насколько нам известно, никогда не был концептуально или количественно связан со сдвигом в функции сна.

Как обсуждалось в разделе «Методы», мы собираем наиболее полные и точные данные из имеющихся в литературе.Для каждого типа данных мы цитируем один источник, но примечательно, что некоторые из этих источников сами по себе являются компиляциями, на которых были собраны данные из различных предыдущих исследований. Однако нет никаких доказательств того, что эти различия приводят к каким-либо изменениям или систематическим ошибкам в возрасте 2,4 года, который мы определяем как точку перехода. Более того, тот факт, что мы определяем одну и ту же точку перехода для разных типов данных из разных исследований, свидетельствует о том, что наши результаты не зависят от конкретного типа данных или группы и, следовательно, сигнализируют о надежности и силе наших результатов с точки зрения воспроизводимости.Дальнейшая работа должна продолжить анализ этой точки перехода, сосредоточив внимание на сборе данных о времени сна, размере мозга и метаболизме мозга примерно в этом критическом возрасте.

Изучая функциональное развитие мозга у людей, Джонсон ( 49 ) обнаружил, что первые 2 года жизни — это период, когда происходит большинство явных сдвигов в структуре и поведении мозга. Мозг развивается чрезвычайно динамично в течение первых 2 лет ( 48 ), и большинство структур мозга имеют общий вид взрослых примерно к 2 годам.Одно примечательное исключение — задержка развития префронтальной коры, начало которой, возможно, соответствует всплеску быстрого сна в более позднем периоде полового созревания, что было бы предсказано нашей теорией. Общий размер мозга заметно увеличивается в течение первых 2 лет жизни и к 2 годам достигает 80-90% от размера взрослого человека. К 3 годам наблюдаются все основные волокнистые пути ( 49 ), а также лобные области мозга. , белое вещество наиболее быстро изменяется в течение первых 2 лет. Белое вещество связано с когнитивной функцией, поэтому быстрое изменение белого вещества к 2 годам помогает частично объяснить, почему реорганизация может преобладать до 2 лет.4 года и затем переход на другую стадию. Другие критические периоды и переходы в раннем развитии в отношении обучения и работы мозга хорошо известны и представляют большой интерес, включая овладение языком ( 46 — 48 ).

Наши онтогенетические результаты заметно отличаются от предыдущих филогенетических открытий как по величине, а иногда и по направлению изменений, и по соответствующим показателям масштабирования. Эти результаты довольно неожиданные, но, перейдя от нашей модели нейронной реорганизации к модели восстановления и очистки, мы можем одновременно объяснить масштабирование времени сна в зависимости от вида и роста.Восстановление / клиренс ( 6 ) и реорганизация происходят на протяжении всего роста, и при анализе данных и построении нашей теории мы выдвинули гипотезы и показали, как каждое из них доминирует на определенных стадиях развития: реорганизация доминирует в раннем возрасте, тогда как реорганизация и клиренс преобладают в более поздние стадии. Наша теория объясняет масштабирование массой мозга и тела в этих двух разных регионах совершенно разными причинами. Для нейронной реорганизации масштабирование возникает из-за несоответствия между сублинейным масштабированием скорости метаболизма всего тела, которое управляет передачей информации в мозг, и сверхлинейным масштабированием количества синапсов и объема белого вещества.Напротив, масштабирование возникает из-за механизмов восстановления и очистки из-за несоответствия в том, что они пропорциональны массе мозга, в то время как скорость повреждения пропорциональна скорости метаболизма мозга, которая нелинейно масштабируется с массой мозга. Эти множественные источники изменения свойств сна в разные периоды жизненного цикла имеют решающее значение, потому что они позволяют нам сопоставить наши различные теории с предлагаемыми функциями сна. Другое важное отличие состоит в том, что показатели масштабирования проявляются как резкое, сверхлинейное увеличение скорости метаболизма мозга с увеличением размера мозга на раннем этапе развития с последующим снижением в более позднем развитии.

Учитывая относительную простоту теории, различные сон и церебральные свойства, предсказанные нашей моделью, неожиданно хорошо совпадают с эмпирическими данными. Мы еще не можем предсказать все измеренные свойства сна, но наше согласие с таким разнообразным набором характеристик во время онтогенетического развития и филогенеза у взрослых впечатляет. Это подтверждает наши предположения и разработанные нами количественные математические основы.

Один из наших наиболее убедительных выводов заключается не только в том, что существует переход, но и в том, насколько резким является этот переход, приводящий к полному изменению направления масштабных отношений, а также к процентному изменению REM вместо того, чтобы быть инвариантным, как у разных видов.Хотя сон всегда включает в себя потерю сознания и характерную электрическую активность, наши результаты показывают, что основная динамика сна может коренным образом измениться в возрасте от 2 до 3 лет. На раннем этапе развития, когда происходит существенный синаптогенез, связи между нейронами, вероятно, переходят от более короткодействующих (например, пространственно локализованных цепей или сетей) к более дальнодействующим (например, весь мозг) ( 56 ). Более того, соединения намного более пластичны на раннем этапе развития, а в более позднем развитии они гораздо более прочны.С этой точки зрения мозг находится в более жидком состоянии при рождении и «остывает» в раннем онтогенезе до достижения критической точки в возрасте 2–3 лет, что соответствует более кристаллизованному состоянию структуры и динамики мозга.

Кроме того, важно осознавать, что области мозга демонстрируют существенную неоднородность в развитии и что эта гетерогенность, вероятно, влияет на онтогенез сна, возможно, таким образом, что это зависит от конкретных областей мозга. Например, сенсорные области достигают пика синаптической плотности, миелинизации и созревания серого вещества раньше, чем префронтальные области, последние кортикальные области, которые полностью развиваются ( 57 ).Особенно быстро гиппокамп развивается в первые несколько лет жизни. Однако гиппокамп также продолжает сложное субрегиональное развитие примерно до 14 лет ( 58 ). В соответствии с выводами нашей теории, есть некоторые свидетельства того, что различия в темпах созревания региональной коры коррелируют с различиями в развитии паттерна мозговых волн во время сна ( 59 ). В настоящее время наша модель предполагает однородную среднюю скорость синаптогенеза и изменений REM и NREM.В будущей работе мы надеемся, что включение неоднородности в нашу модель улучшит ее объяснительную и предсказательную силу.

Главной особенностью нашего подхода является то, что он является количественным, расчетным, прогнозирующим и может быть легко протестирован с помощью эмпирических данных. Наши результаты указывают на новые интересные вопросы, требующие дополнительных исследований. Остается открытым вопрос, существуют ли такие же онтогенетические паттерны во сне у других видов. Известно, что у людей необычная степень развития мозга после рождения ( 42 ).Следовательно, вполне вероятно, что фазовый переход, описанный здесь для человека, может произойти раньше у других видов, возможно, даже до рождения. Плоды спят очень большую часть времени ( 60 ), но может быть чрезвычайно трудно провести точные измерения скорости метаболизма или массы мозга и, таким образом, наблюдать этот сдвиг у других видов до рождения. Измерения роста и развития у крыс, зябликов, дрозофил, Caenorhabditis elegans и многих других видов ( 16 ) необходимы, чтобы проверить, насколько хорошо наша теория обобщает и насколько эти сдвиги действительно являются фазовыми переходами.

ССЫЛКИ И УКАЗАНИЯ