Nareszcie wiemy, dlaczego nasz mózg zużywa tyle energii

Reklama

śr., 01/12/2022 - 11:55 -- MagdalenaL

(Zdjęcie: Shutterstock)

„Mózg to drogi w utrzymaniu organ”.

Z Twojego mózgu może wyciekać... energia, jak twierdzi nowe badanie, które może wyjaśnić, dlaczego nasza głowa pochłania 20% energii potrzebnej całemu ciału.

Badacze odkryli, że z malutkich pęcherzyków, które zawierają wiadomości przesyłane pomiędzy komórkami mózgu, może stale wyciekać energia. Ten wyciek zaś prawdopodobnie odpowiada za ciągłą gotowość mózgu, jak podaje nowe badanie opublikowane 3. grudnia na łamach czasopisma Science Advances.

Mózg to drogi w utrzymaniu organ”, powiedział kierujący badaniem Timothy Ryan, profesor biochemii w Weill Cornell Medicine w Nowym Jorku. 

Naukowcy do tej pory zakładali, że ta konsumpcja energii była związana z elektryczną aktywnością mózgu, co oznacza, że komórki mózgu, czyli neurony, stale wysyłają sygnały elektryczne aby się porozumiewać, który to proces zużywa duże ilości cząstki energetycznej znanej jako adenozyno-5’-trifosforan (ATP). 

Jednakże, przez ostatnie kilka dekad, badania kliniczne pokazały, że mózgi ludzi, którzy byli w stanie wegetatywnym lub śpiączce - co oznacza minimalną aktywność mózgu - wciąż pochłaniały ogromne ilości energii, Ryan przekazał Live Science. A więc neurolodzy napotkali zagadkę: Jeśli aktywność elektryczna nie zużywa całej energii w mózgu, to co to robi?

Przeciekające pęcherzyki

W ostatnich latach, Ryan i jego zespół badali połączenia w mózgu zwane synapsami, gdzie neurony spotykają się i porozumiewają wysyłając malutkie pęcherzyki wypakowane chemicznymi posłańcami zwanymi neuroprzekaźnikami. 

Poprzednio wykazali, że aktywne synapsy zużywają dużo energii. Natomiast w nowym badaniu, w którym, w naczyniach laboratoryjnych, dezaktywowali synapsy szczurzych neuronów przy użyciu toksyny i zmierzyli poziomy ATP w synapsach, zespół doszedł do wniosku, że pochłaniały mnóstwo energii nawet, gdy neurony nie komunikowały się. 

Aby zrozumieć dlaczego, unieruchomili pompy, które przenoszą neuroprzekaźniki i inne cząsteczki do wewnątrz i na zewnątrz pęcherzyków, przez co pozbawili synapsy paliwa. Przyjrzeli się synapsom używając fosforyzującego mikroskopu i zmierzyli, ile ATP zużyła dana synapsa.

Okazało się, że „pompa protonowa” była odpowiedzialna za około 44% całej energii zużytej przez nieaktywną synapsę. Gdy zaczęli kopać głębiej, naukowcy odkryli, że pompa protonowa musiała działać i spalać ATP, ponieważ z pęcherzyków zawsze „wyciekały” protony.

Nieaktywne synapsy przygotowane są do wysłania tych pęcherzyków w każdym momencie dzięki naładowaniu ich uprzednio neuroprzekaźnikami. 

Robią to przy pomocy innej pompy, która znajduje się na powierzchni pęcherzyków. Ten rodzaj pompy, zwany przenośnikiem białkowym, zmienia kształt, aby przenosić neuroprzekaźniki do wewnątrz, i w zamian, łapią protony wewnątrz pęcherzyka, zmieniają znowu kształt i wyrzucają proton na zewnątrz. Aby ten proces mógł przebiegać, wewnątrz pęcherzyka musi istnieć większe stężenie protonów niż poza nim.

Jednakże, badacze odkryli, że nawet po tym, jak pęcherzyki były pełne neuroprzekaźników, przenośniki białkowe dalej zmieniały kształt. Pomimo tego, że nie przenosiły neuroprzekaźników do pęcherzyków, dalej wypluwały protony, zmuszając pompy protonowe do kontynuowania pracy aby uzupełniać zapas protonów.

„Więc odkryliśmy to, co jest pewnego rodzaju nieefektywnością w nim”, oznajmił Ryan. Wyciek jest niewielki, lecz gdy zsumuje się biliony wycieków, to „w końcu okazuje się być całkiem sporym wydatkiem nawet pomimo jakiejkolwiek aktywności elektrycznej”. 

Badania przeprowadzono przy użyciu szczurzych neuronów w laboratorium, lecz „badana maszyneria jest wyjątkowo podobna” pomiędzy szczurami i ludźmi, więc wyniki bardzo prawdopodobnie byłyby prawdziwe też w przypadku ludzkiego mózgu, stwierdził Ryan.  

Nie jest jasnym dlaczego nasze mózgi wyewoluowały z tym wyciekiem, lecz łatwa zmiana kształtu może być ceną za pęcherzyki będące w stanie szybko napełnić się neuroprzekaźnikami, orzekł. 

Wyobraźmy sobie jak szybko moglibyśmy przyspieszyć, gdybyśmy mieli samochód stale na wysokich obrotach w jałowym biegu, i ile paliwa zmarnowalibyśmy, dodał. „Może ceną ciągłej gotowości synaps było coś, co wydaje się mało wydajnym użytkiem energii”.

Ryan wraz z zespołem mają nadzieję, że wyniki pomogą nie tylko w podstawowym zrozumieniu ludzkiego mózgu, lecz też w klinicznym jego aspekcie. Przykładowo, to odkrycie może doprowadzić do lepszego zrozumienia i leczenia niektórych chorób takich, jak choroba Parkinsona, w której mózg może nie mieć wystarczającej ilości paliwa do wyprodukowania ATP.

W tym przypadku „rozmawiamy o samochodzie w jałowym biegu i odcięciu paliwa”, powiedział Ryan. Wtedy „może stać się coś naprawdę złego”.

Autor: 
Yasemin Saplakoglu / tłum. Bartłomiej Kamiński

Reklama