Каждый день мозг потребляет гораздо больше энергии, чем другие органы, и, что удивительно, он не снижает своего потребления, 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, опубликованном сегодня в Science Advances , они обнаружили крошечные капсулы, называемые синаптическими пузырьками, как основной источник потребления энергии в неактивных нейронах. 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 неплотным, что продолжает потреблять значительную энергию, даже когда везикулы заполнены, а синаптические терминалы неактивны.
Наблюдение за тем, что мозг потребляет большое количество энергии, даже в относительно спокойном состоянии, датируется несколькими десятилетиями ранее исследованиями использования ресурсов мозгом в коматозном и вегетативном состояниях. Эти исследования показали, что даже в этих крайне неактивных состояниях потребление глюкозы мозгом обычно снижается от нормы только примерно наполовину, что по-прежнему оставляет мозг основным потребителем энергии в организме. Причины этой утечки были неизвестны.
Недавние узконаправленные исследования показали, 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. При том само состояние (активное или нет) синаптичих каналов никак не влияет на общее потребеление энергии.
Ученые 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 их 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 потреблять топливо при этом, 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 ускользать — когда они это делают. Авторы работы 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.
Хотя утечка из одной везикулы будет крошечной, в человеческом мозгу есть по крайней мере сотни триллионов синаптических везикул, поэтому утечка энергии становится столь ощутимой.
Это открытие является значительным достижением в понимании базовой биологии мозга. Кроме того, уязвимость мозга к нарушению его снабжения топливом является серьезной проблемой в неврологии, а метаболические нарушения были отмечены при множестве распространенных заболеваний мозга, включая болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Это направление исследований в конечном итоге могло помочь решить важные медицинские головоломки и предложить новые методы лечения.
