Утечка мозгов: ученые объясняют, почему нейроны потребляют так много топлива даже в состоянии покоя


Фунт за фунтом, потребляет гораздо больше энергии, чем другие органы, и, что удивительно, он остается пожирателем топлива, даже когда его нейроны не посылают друг другу сигналы, называемые нейротрансмиттерами. Исследователи из Weill Cornell Medicine обнаружили, что процесс упаковки нейротрансмиттеров может быть ответственным за утечку энергии.

В своем исследовании, сообщается 3 декабря в Достижения наукиони определили крошечные капсулы, называемые синаптическими пузырьками, как основной источник энергии, потребляемой неактивными нейронами. Нейроны используют эти пузырьки в качестве контейнеров для своих молекул нейротрансмиттеров, которые они запускают из коммуникационных портов, называемых синаптическими терминалами, для передачи сигналов другим нейронам. Упаковка нейротрансмиттеров в везикулы – это процесс, который потребляет химическую энергию, и исследователи обнаружили, что этот процесс с точки зрения энергии по своей природе является дырявым – настолько дырявым, что продолжает потреблять значительную энергию, даже когда везикулы заполнены, а синаптические терминалы неактивны.

«Эти результаты помогают нам лучше понять, почему человеческий так уязвим для прерывания или ослабления его подачи топлива», – сказал старший автор доктор Тимоти Райан, профессор биохимии и биохимии в анестезиологии в Weill Cornell Medicine.

Наблюдение за тем, что потребляет большое количество энергии, даже в относительно спокойном состоянии, датируется несколькими десятилетиями ранее исследованиями использования топлива мозгом в коматозном и вегетативном состояниях. Эти исследования показали, что даже в этих глубоко неактивных состояниях потребление глюкозы мозгом обычно снижается от нормы только примерно наполовину, что по-прежнему оставляет мозг в качестве потребителя энергии с высоким уровнем потребления энергии по сравнению с другими органами. Источники этой утечки энергии покоя никогда не были полностью изучены.


Доктор Райан и его лаборатория показали в последние годы, что синаптические терминалы нейронов, похожие на почки наросты, из которых они запускают нейротрансмиттеры, являются основными потребителями энергии в активном состоянии и очень чувствительны к любому нарушению их снабжения топливом. В новом исследовании они изучили использование топлива в синаптических терминалах, когда вактивен, и обнаружил, что он все еще высок.

Они обнаружили, что такое высокое потребление топлива в состоянии покоя в значительной степени объясняется пулом пузырьков на синаптических окончаниях. Во время синаптической неактивности везикулы полностью загружены тысячами нейротрансмиттеров каждая и готовы запустить эти несущие сигнал полезные нагрузки через синапсы к партнерским нейронам.

Почему синаптический пузырек потребляет энергию даже при полной нагрузке? Исследователи обнаружили, что, по сути, происходит утечка энергии из мембраны везикулы, «отток протонов», так что специальный фермент «протонного насоса» в везикуле должен продолжать работать и при этом потреблять топливо, даже когда везикула уже заполнена молекулами нейромедиатора.

Эксперименты указали на белки, называемые переносчиками, как на вероятные источники утечки протонов. Транспортеры обычно доставляют нейротрансмиттеры в везикулы, изменяя форму, чтобы перенести нейротрансмиттер, но в то же время позволяют протону ускользнуть – когда они это делают. Доктор Райан предполагает, что энергетический порог для этого изменения формы переносчика был установлен низким в результате эволюции, чтобы обеспечить более быструю перезагрузку нейротрансмиттера во время синаптической активности и, следовательно, более быстрое мышление и действие.

«Обратной стороной более быстрой загрузки будет то, что даже случайные тепловые флуктуации могут вызвать изменение формы транспортера, вызывая постоянную утечку энергии, даже когда нейротрансмиттер не загружается», – сказал он.