Ученые провели исследованию, которое смогло объяснить, почему наш мозг потребляет 20% энергии, необходимой для поддержания работоспособности всего нашего организма.
Исследователи обнаружили, что крошечные мешочки, называемые везикулами, которые содержат сообщения, передаваемые между клетками мозга, постоянно выделяют энергию, и эта утечка, вероятно, является компромиссом для того, чтобы мозг был готов к работе в любое время, согласно новому исследованию, опубликованному 3 декабря в журнале Science Advances.
"Мозг считается очень дорогим органом в управлении", - сказал старший автор Тимоти Райан, профессор биохимии в Weill Cornell Medicine в Нью-Йорке.
Ранее ученые предполагали, что этот выброс энергии связан с тем фактом, что мозг электрически активен, а это означает, что клетки мозга, или нейроны, постоянно посылают электрические сигналы для общения, процесс, который сжигает большое количество молекулы энергии, известной как аденозин 5'-трифосфат (АТФ).
Но за последние пару десятилетий клинические исследования показали, что мозг людей, находившихся в вегетативном состоянии или коме, что означает очень минимальную электрическую активность мозга, по-прежнему потреблял огромное количество энергии, сказал Райан. Итак, нейробиологи столкнулись с головоломкой: если электрическая активность не расходует всю энергию в мозге, то что же тогда?
Протекающие пузырьки
В последние годы Райан и его команда исследовали соединения в мозге, называемые синапсами, где нейроны встречаются и общаются, запуская крошечные пузырьки, наполненные химическими мессенджерами, называемыми нейротрансмиттерами.
Ранее они показали, что активные синапсы потребляют много энергии. Но в новом исследовании, в котором они инактивировали синапсы нейронов крыс в лабораторных чашках с токсином, а затем измерили уровни АТФ внутри синапсов, команда поняла, что синапсы потребляют много энергии, даже когда нейроны не активируются.
Чтобы выяснить почему, они отключили различные насосы на поверхности крошечных пузырьков, которые перемещают нейромедиаторы и другие молекулы внутрь и наружу, и таким образом лишили синапсы топлива. Они сфотографировали синапсы с помощью флуоресцентного микроскопа и выяснили, сколько АТФ сгорело в синапсе.
Они обнаружили, что "протонный насос" отвечает примерно за 44% всей энергии, используемой в синапсе покоя. Копнув глубже, исследователи обнаружили, что протонный насос должен продолжать работать и сжигать АТФ, потому что везикулы постоянно "пропускают" протоны.
Неактивные синапсы готовятся к запуску этих пузырьков в любой момент, предварительно наполняя их нейромедиаторами.
Они делают это с помощью другого насоса, который находится на поверхности пузырьков. Этот тип насосов, называемых белками-переносчиками, изменяет форму, чтобы переносить нейромедиаторы внутрь, а взамен они захватывают протон изнутри везикулы, снова меняют форму и выплевывают протон из везикулы. Чтобы этот процесс работал, пузырьки должны иметь внутри более высокую концентрацию протонов, чем в окружающей их среде.
Но исследователи обнаружили, что даже после того, как пузырьки были заполнены нейромедиаторами, белки-переносчики продолжали менять форму. Несмотря на то, что они не переносили нейромедиаторы в везикулы, они продолжали выбрасывать протоны, требуя, чтобы протонный насос продолжал работать, чтобы пополнить запас протонов в везикуле.
"Итак, мы обнаружили, в чем заключается его неэффективность. Утечка невелика, но если сложить триллионы утечек вместе, то "в итоге получается довольно большой расход даже без какой-либо электрической активности". - сказал Райан.
Исследования проводились с использованием крысиных нейронов в лаборатории, но "задействованный механизм невероятно хорошо сохраняется" у крыс и людей, так что результаты, скорее всего, будут справедливы и для человеческого мозга, сказал Райан.
Неясно, почему наш мозг эволюционировал таким образом, чтобы иметь такую утечку, но легкое изменение формы, вероятно, является компромиссом для того, чтобы везикулы могли быстро упаковывать нейромедиаторы, сказал он.
Только представьте, как быстро вы могли бы разогнаться, если бы у вас был автомобиль, постоянно работающий на холостом ходу на высоких оборотах, но сколько топлива вы бы потратили впустую, добавил он. "Возможно, ценой поддержания синапсов наготове было то, что кажется неэффективным использованием энергии".
Райан и его команда надеются, что полученные результаты могут помочь не только в фундаментальном понимании работы человеческого мозга, но и клинически. Например, открытие может привести к лучшему пониманию и лечению некоторых заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, при которых мозгу может не хватать топлива для выработки АТФ.
В этом случае "вы говорите о машине, работающей на холостом ходу, и вы перерезали бензопровод", - сказал Райан. У вас "действительно будут проблемы".
