В рамках глобального исследовательского проекта ученые выявили связь между проблемами метаболизма в мозге и целым спектром нейропсихиатрических и нейродегенеративных расстройств, от аутизма до болезни Альцгеймера и других.
Несмотря на разнообразие симптомов этих состояний - а также депрессии, эпилепсии, шизофрении, умственной отсталости и биполярного расстройства - все они связаны с определенной степенью когнитивного нарушения и часто имеют общие генетические или метаболические особенности, намекающие на общую биологическую основу.
Обширное сотрудничество Международного консорциума по проекту мозга (International Brain pH Project Consortium), включающего 131 ученого из 105 лабораторий семи стран, выявило изменения кислотности и уровней лактата (Лактат – это производная молочной кислоты, которая образуется в результате клеточного метаболизма) в мозге животных как ключевые признаки этого метаболического нарушения.
"Мы ранее доказали, что такие изменения часто наблюдаются у мышей с шизофренией, биполярным расстройством и аутизмом," - пишет команда в своей опубликованной статье.
"Однако исследований этого явления в моделях животных все еще недостаточно, что оставляет неопределенность его общности с другими заболеваниями".
Их результаты могут привести к новым способам диагностики и лечения этих сложных расстройств, затрагивающих значительную часть населения.
"Эти исследования могут стать отправной точкой для выявления общих терапевтических целей в различных нейропсихиатрических расстройствах," - говорит молекулярный и клеточный физиолог Масаюки Мацушита из Университета Рюкю в Японии.
Изменения уровня лактата могут влиять на передачу информации в нейронах, нарушая функциональный баланс между возбуждающими и ингибирующими мозговыми сетями. Увеличение уровня лактата в мозге может привести к снижению pH (то есть окислению), что, по данным, является еще одной общей чертой большинства из изученных здесь расстройств.
Анализируя образцы целого мозга нескольких видов животных, включая мышей, крыс и цыплят, некоторых из которых генетически модифицировали для имитации различных нейропсихиатрических и нейродегенеративных заболеваний, команда обнаружила последовательные сдвиги в pH мозга и уровнях лактата.
"Это первое и крупнейшее системное исследование, оценивающее pH мозга и уровни лактата в различных моделях животных для нейропсихиатрических и нейродегенеративных расстройств," - говорит первый автор Хидео Хагихара, медицинский ученый из Университета Фуджита в Японии.
Замечательно, что около 30 процентов из 2 294 исследованных животных в 109 различных моделях проявили значительные изменения в pH и уровнях лактата. Это указывает на то, что эти расстройства распространены во многих нейропсихиатрических состояниях.
Модели животных, представляющие депрессию, вызванную стрессом, диабетом или колитом - все это увеличивает риск развития депрессии - проявили последовательную тенденцию к снижению pH мозга и увеличению уровней лактата.
Это указывает на различные генетические или окружающие факторы, которые могут вызвать эти различия, такие как воспаление, которое может влиять на метаболизм мозга и способствовать развитию нейропсихиатрических состояний.
В моделях аутизма была выявлена взаимосвязь: у некоторых уровень pH увеличивался, а уровень лактата снижался, в то время как у других наблюдалась обратная картина. Это намекает на то, что существуют различные подгруппы метаболических нарушений среди лиц с расстройствами аутистического спектра.
В ходе поведенческих тестов исследователи отметили сильную связь между высокими уровнями лактата и нарушением памяти рабочего типа, что, по их мнению, показывает, что метаболические нарушения могут прямо влиять на когнитивные способности при различных нейропсихиатрических расстройствах.
Дисфункция митохондрий связана с несколькими нейропсихиатрическими расстройствами, которые часто проявляются в виде дефицита рабочей памяти как общем симптоме. Дисфункция митохондрий в нейронах может привести к уменьшению потребления лактата для производства энергии, что может привести к нарушению функций обучения и памяти.
Однако производство лактата в организме необходимо для формирования памяти, так что снижение его уровня также может способствовать дисфункции.
В целом авторы говорят, что их результаты показывают, что изменения в pH мозга и уровнях лактата, даже если эти изменения выгодны организму, могут служить биологическими маркерами для нейропсихиатрических расстройств, сопровождающихся когнитивным нарушением.
"Будущие исследования будут направлены на выявление стратегий лечения, эффективных для различных моделей животных с изменениями pH мозга," - говорит Миякава.
"Это может способствовать разработке индивидуализированных методов лечения для подгрупп пациентов, характеризующихся конкретными изменениями в метаболизме энергии мозга."
Исследование опубликовано в журнале eLife.