Mózg to bardzo żarłoczny narząd w ciele człowieka. U ludzi stanowi mniej więcej jedną pięćdziesiątą masy ciała. Ale zużywa aż jedną piątą całej energii. Jest więc dziesięciokrotnie bardziej energochłonny niż reszta organizmu.
Nie zmienia tego ani sen, ani stan braku przytomności. Nawet w narkozie mózg zużywa nadal połowę tej energii, co zwykle. Wiemy o tym od dekad. Niewiele jednak było wiadomo o tym, dlaczego tak się dzieje.
Badacze ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Cornell sądzą, że rozwiązali zagadkę. Odpowiada za to proces „pakowania” neuroprzekaźników – substancji przekazujących sygnały między komórkami układu nerwowego, czyli neuronami.
To proces pakowania neuroprzekaźników w pęcherzyki zużywa dużo energii w mózgu
W pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Science Advances” badacze donoszą, że za proces tego zużycia energii odpowiadają struktury zwane pęcherzykami synaptycznymi. W neuronach neuroprzekaźniki nie występują w stanie wolnym. Są upakowane właśnie w takie kuliste struktury.
Upakowywanie neuroprzekaźników w pęcherzyki jest procesem, który pochłania energię. Okazuje się, że jest to proces bardzo niedoskonały. Można powiedzieć, że ewolucja zaprojektowała go dość niestarannie.
Nawet, gdy pęcherzyki są już napełnione neuroprzekaźnikami, proces pakowania nadal trwa i pochłania energię. To tłumaczy, czemu mózg pochłania dużo energii – nawet, gdy jest całkiem bezczynny. Nawet gdy aktywność neuronów jest niewielka lub żadna, proces pakowania neuroprzekaźników nadal się toczy i zużywa energię.
– To odkrycie pomaga nam zrozumieć, dlaczego mózg jest tak wrażliwy na przerwy lub zmniejszenie dostaw „paliwa” [czyli glukozy] – mówi dr Timothy Ryan, biochemik anestezjologiczny ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Cornell.
Marnotrawstwo energii w neuronach przyśpiesza ich działanie
Zespół dr. Ryana wykazał, że błony pęcherzyków synaptycznych są nieszczelne. Stale uchodzi z nich energia w postaci protonów, czyli jonów wodoru. Eksperymenty wskazały, że za ten wyciek protonów odpowiadają głównie białka, które przenoszą neurotransmitery do pęcherzyków. By je przenieść, białka zmieniają kształt. Właśnie w czasie tego procesu ucieka proton.
Za stężenie protonów w pęcherzykach – i w całych komórkach – odpowiada tzw. pompa protonowa. To kompleks białek, których pęcherzykach musi pracować stale. Pompa ta wymaga energii w postaci ATP (adenozynotrójfosforanu). Ten związek z kolei powstaje w procesie rozkładu glukozy z udziałem tlenu. Dlatego mózgi potrzebują tak dużo glukozy i tlenu.
Dlaczego ewolucja zaprojektowała tak energochłonny proces? Gdyby mózgi zużywały mniej energii, były by mniej podatne na uszkodzenia spowodowane przerwami w dostawie glukozy i tlenu. Ale, jak to zwykle w życiu i bardzo często w procesie ewolucji bywa – zawsze jest coś za coś.
Ten „ciągły postój na włączonym silniku” sprawia, że synapsy mogą szybciej ruszyć, czyli uwolnić neurotransmitery. To z kolei sprawia, że szybciej zachodzi komunikacja między neuronami. Innymi słowy, mózgi mogłyby być mniej energochłonne. Ale wtedy działałyby dużo wolniej.
Neuronów w mózgu są miliardy, synaps biliony. Liczy się efekt skali
Choć ten wyciek energii w przeliczeniu na jeden pęcherzyk jest niewielki, takich pęcherzyków w synapsie neuronu jest wiele. A synaps w ludzkim mózgu jest kilkaset bilionów. Stąd właśnie – jak tłumaczy dr Ryan – energochłonność mózgów. Dla pojedynczego neuronu strata energii jest niewielka, ale efekt się sumuje.
Odkrycie to ma znaczenie dla podstaw biochemii mózgu. Ale może mieć też przełożenie praktyczne. Może przydać się do poszukiwania nowych sposobów ochrony mózgu przed uszkodzeniami, a nawet przyczynić się do postępu badań nad chorobami neurodegeneracyjnymi – Alzheimera czy Parkinsona.
– Gdyby istniał bezpieczny sposób na obniżenie tego stałego zużycia energii i spowolnienia tempa przemiany materii w mózgu, miałoby to wielkie znaczenie kliniczne – konkluduje dr Ryan.
Źródła: Weill Cornell Medicine, Science Advances.