Давно хотела поделиться фрагментами статьи про мозг Евгении Самохиной, Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН.
Человеческий мозг обладает скромным весом — на его долю приходится всего два процента массы тела. Это не мешает ему быть самым большим потребителем глюкозы в организме. Каким образом нейроны мозга потребляют такой объём энергии? И можно ли считать расточительность мозга эволюционно устаревшей?
Для нормальной работы органов нашего тела необходима энергия. Большую часть энергии человек получает с пищей — в результате превращения поступающих в организм углеводов в глюкозу и разложения последней до углекислого газа и воды. Превращение сопровождается запасанием энергии в виде аденозинтрифосфатов (АТФ) или других соединений. Эти запасы энергии распределяются между органами неравномерно. Мозг обычно использует 50% глюкозы, поступающей из печени в кровь, то есть примерно 100 г глюкозы в день.
Такая «прожорливость» послужила основанием для создания теории «эгоистичного мозга» («selfish brain» theory). Согласно ей, интенсивное потребление энергии мозгом обусловлено двумя основными процессами: затратами энергии его клеток на генерацию нервных импульсов и затратами на ведение «домашнего хозяйства» — обеспечение целостности и нормального функционирования клеток мозга. На нейрогенез тратитс больше энергии.
Наиболее активно в энергозависимых процессах мозга участвуют две группы клеток: нейроны и астроциты.
Нейроны — клетки, способные генерировать и проводить электрические импульсы. Это клетки-специалисты, так как функция каждого нейрона строго определена. В течение долгого времени (например, у мышей до 2 месяцев) происходит процесс «обучения» нейрона. Средний человеческий мозг содержит около 100 миллиардов обученных нейронов, и каждый из них соединяется в среднем с тысячью других нейронов. Таким образом, образуются обширные и сложные нейронные сети — основа для обработки и передачи мозгом информации. Ввиду сложных интегративных взаимодействий между нейронами замена этих клеток в нейронных сетях почти всегда сопровождается ухудшением качества передачи.
Функция астроцитов — глиальных клеток мозга — состоит, главным образом, в обеспечении нейронов питанием и в борьбе с активными формами кислорода и азота. При этом количество астроцитов в несколько раз превышает число нейронов мозга, так что каждый нейрон «окружён» целым ансамблем астроцитарных клеток.
Нейроны, как и любые другие клетки мозга, подвержены нарушениям в цепи ДНК и процессам окисления. Но, как мы уже говорили, каждый нейрон совершенно незаменим. Вот и приходится этим нервным клеткам всячески продлевать себе «молодость», то есть поддерживать себя в функционально активном состоянии.
Задача астроцитов — создание условий для нормальной активности нейронов. Для этого астроциты готовы обеспечить их большим количеством энергии и организовать защиту нейронов от окислительного стресса. Единый путь для решения этих двух задач эволюционно пока не сложился. Поэтому астроцитам приходится сжигать всю глюкозу в гликолитической «печи», а уже потом использовать запасённую энергию для «оплаты» разных метаболических путей.
Строго говоря, сами астроциты не нуждаются в том количестве энергии, которую отдают нейронам, то есть проявляют своеобразную энергетическую щедрость. А вот нейронам такое энергетическое обеспечение крайне необходимо, потому как генерация импульсной активности и тонкая регуляция рецепторов и ионных каналов на клеточной мембране — энергетически «дорогие» процессы, то есть требуют больших энергетических затрат.
Таким образом, в результате разделения энергетических путей (астроциты подготавливают глюкозу к полному расщеплению, а нейроны уже осуществляют её окончательный катаболизм) образуется что-то вроде конвейера по расщеплению энергетических субстратов и молекулы расщепляются полностью, а образующаяся энергия максимально используется клетками.
Из-за снижения энергообеспечения клеток мозга вследствие травм, ишемии или внутримозговой опухоли под ударом оказываются, в первую очередь, системы регуляции
тормозных процессов в нервной ткани. Недостаток энергии приводит к неспособности нейронов затормозить возбуждение и к постепенному распространению возбуждающей волны во все области мозга. Неконтролируемая постоянная активация клеток вызывает ещё большее истощение их энергетических запасов и окислительный стресс.
Вывод: нейроны урезали энергетические траты на процессы, не связанные с передачей нервного импульса. Постоянные хлопоты о состоянии нейронов (биосинтез белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, функции митохондрий) взяли на себя астроциты. Отсутствие конкуренции за источники питания позволило астроцитам и нейронам «сконцентрироваться» на своих функциях.
Полную версию статьи можно прочитать тут.
Если вам нравится мой дзен, поделитесь записью - это самая большая награда для меня. Присоединяйтесь к моему каналу в телеграмме, чтобы читать самые свежие публикации.