Полезный сахар: откуда стоит брать глюкозу для хорошей работы мозга (а откуда лучше не надо)
Вот вам занимательный факт: наше тело способно извлекать энергию и из жира, и из сахара, а мозг требует для этого исключительно глюкозу.
Нейробиолог и нутрициолог Лайза Москони написала прекрасною и полезную книгу «Диета для ума. Научный подход к питанию для здоровья и долголетия». Чтобы сохранить ваше время, мы решили кратко пересказать самые важные ее аспекты: почему мозгу нельзя без сахаров, из каких продуктов их лучше всего брать и почему важен не только гликемический индекс еды, но и ее гликемическая нагрузка.
Почему мы не выживем без сахара
Если представить, что наш мозг — это машина, то глюкоза — его главное топливо и быстрый способ получить энергию. Все продукты, от природы богатые углеводами (нет, это не конфеты), медленно превращаются в глюкозу. Она в свою очередь всасывается в кровь, давая телу энергию для метаболизма. Глюкоза кормит и кормит, и кормит миллиарды ненасытных клеток человеческого мозга. Если вы где-то прочитали, что глюкоза — страшное зло, не верьте этому.
Глюкоза не может быть нашим врагом, так как просто необходима для нормальной умственной деятельности.
У человеческого мозга настоящая зависимость (в хорошем смысле) от этого углевода, поэтому он придумал способ превращать в нее другие сахара.
Как полезный сахар попадет в мозг
Глюкоза входит в список веществ, которые быстро проникают в мозг, однако даже ей не всегда удается туда проникнуть. В нашем организме существует гематоэнцефалический барьер — это своеобразные «ворота», которые защищают мозг от циркулирующих в крови микроорганизмов, токсинов и других веществ. Если уровень глюкозы падает, «ворота» открываются, пропуская глюкозу. Если же ее уровень в норме, они «запираются».
В таком случае даже двойная порция пасты или шоколадных вафель не заставит его работать эффективнее. Зато эта порция наткнется на закрытую дверь и, вероятнее всего, отложится на ваших боках или животе.
Причем тут гликоген и кетодиета
Глюкоза, которая попала в мозг, но не была немедленно превращена в энергию, становится веществом под названием «гликоген», вы наверняка слышали о нем. Гликоген запасается впрок, так как для нашего тела это самый эффективный способ сохранить полезные калории и обеспечить мозг запасом энергии. Но запас гликогена не бесконечен и хранится не более суток.
Если вы не доедаете сахар, то есть ваш организм не дополучает углеводы (меньше 50г), то запасы гликогена быстро тают, и мозг чувствует потенциальную угрозу. Без паники! У него есть план Б: если углеводов маловато, мозг приказывает печени сжигать пищевой жир и синтезировать новые молекулы — кетоновые тела.
Кетоновые тела — единственный альтернативный источник энергии для нашего мозга.
Существует даже специальная кетодиета, которая предписывает употреблять много насыщенных жиров и ограничивать потребление углеводов и клетчаткой. Этот метод вынуждает печень сжигать доступные сахара, прежде чем обратиться к жиру для стабилизации уровня сахара в крови. Не слишком-то гуманно по отношению к своему организму, вам так не кажется?
Да, мозг способен использовать кетоны вместо глюкозы (и это даже способствует похудению), но это исключение, а не правило. Это аварийный механизм выживания вашего организма, не нужно им злоупотреблять!
Кроме того, важно помнить, что мозг не может существовать исключительно за счет кетонов. Так или иначе ему необходимо, чтобы не менее 30% от всей энергии поступало к нему из глюкозы.
Чем опасен недостаток сахара в организме
Больше всего мозгу нравится работать на глюкозе. Он становится уязвим, если ее не хватает, и любой перебой со снабжением глюкозой отражается на умственной деятельности. Например, если уровень в крови резко снижается, человек может потерять сознание. Это касается пожилых людей: чтобы поддерживать активность на должном уровне, им необходимо следить за уровнем глюкозы в организме ежедневно.
Глюкоза — это углевод, но получать его следует не из пиццы и печенья, а из более полезных продуктов. Существует несколько источников глюкозы, о которых вы не подозревали. Например, лук, свекла и репа, а еще финики, изюм, виноград и мед. Эти продукты имеют два важных преимущества: во-первых, они натуральны; во-вторых, в их составе количество других сахаров минимально.
Сколько глюкозы нам нужно
Если немного поумничать, то можно сказать, что мозг сжигает около 32 мкмоль глюкозы на 100 г ткани в минуту. Но если перевести на человеческий язык, то это значит, что взрослому человеку необходимо 62г глюкозы в сутки (но этот показатель зависит от индивидуальных особенностей).
62г глюкозы — это всего 250 ккал в день, даже немного меньше. Важно следить, чтобы это была именно глюкоза, а не любой другой сахар. Маленькая шпаргалка: три столовые ложки свежего меда содержат дневную норму глюкозы.
Как поддерживать уровень глюкозы на нужном уровне
Помните, что поддерживать глюкозу на стабильном уровне критически важно для работы вашего мозга, так как он крайне уязвим. Но если переборщить с уровнем сахара в крови, ничего хорошего тоже ждать не следует: чем выше этот уровень, тем выше риск развития деменции.
Чтобы снизить риск этого заболевания и заодно сохранить память, необходимо ограничить потребление сахара и количественно и качественно. Самый простой способ — заменить его более полезными и натуральными продуктами.
В этом вам поможет гликемический индекс (ГИ) — показатель, который помогает классифицировать пищевые продукты по их способности повышать уровень сахара в крови. Если сахар из продукта быстро попадает в кровь, ему присваивается высокий индекс, а тем продуктам, которые незначительно поднимают сахар в крови, — низкий индекс.
А еще есть такой показатель как гликемическая нагрузка. Этот показатель показывает не только то, насколько быстро сахар всасывается в кровь, но и сколько клетчатки в нем содержится. Чтобы не запутаться, просто помните, что блюда из белой муки, сладкие напитки, выпечка и конфеты — худшее, что вы можете съесть с очки зрения активности мозга продукты.
Ваш мозг будет счастлив, если вы начнете регулярно употреблять продукты с низким гликемическим индексом (то есть богатые клетчаткой) и сократите потребление продуктов с высоким ГИ до минимума. Да здравствует клетчатка!
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Энергия мозга в 100 000 раз мощнее Солнца
Метод фокусирования психофизической энергии, обнародованный Академиком Российской и Международной инженерных академий, к.т.н., Людмилой Пучко позволяет вывести человечество на сверхновый уровень. Новая многомерная модель устройства мира, законы его развития и уникальные методики, ведущие человека к Бессмертию, описаны в монографиях Людмилы Пучко, выпускаемых в «Издательстве АНС».
Генеральный директор «Издательства АНС», к.ф-м.н., Президент Международного Клуба Многомерной медицины Геннадий Непокойчицкий побеседовал о новом пути в развитии человечества с журналистами Агентства Популярной Информации.
— Прочитав заголовок, многие, наверняка подумают, что это все выдумки. А вы, как ученый, сразу осмыслили новые знания, ведь рукописи Людмила Пучко отдала вам, как директору издательства?
— Когда много лет назад пришла в издательство Людмила Григорьевна и заявила мне, коммунисту и материалисту о том, что ее ко мне привели Высшие Силы, мне казалось, что в этом заявлении не было логики. Она говорила, что то, что она принесла, можно не понимать, нужно взять и сделать.
Тогда я, больше из уважения (веры в новый метод многомерной медицины у меня не было никакой), решил поставить эксперимент на своей теще, у которой был камень в почке величиной с желудь.
Как ученый, я понимал, что с физической точки зрения нереально, когда внутри живого организма находится какой-то объект, в данном случае камень в почке, и он должен как-то вдруг исчезнуть.
Но через несколько дней теще стало лучше, у нее прекратились боли, я попросил ее сходить в поликлинику. Она пошла в ту же лабораторию, на тот же аппарат УЗИ к тому же врачу. Камня не было! Для меня это был шок. Объяснить это научно было невозможно!
— Но все же вы пытались анализировать новое с помощью фундаментальных законов физики?
— В издательстве тогда готовили к печати книгу «Жизнь и здоровье женщины». Просматривая книгу, я наткнулся на изображение строения мозга и был поражен таким фактом, который никто не анализирует.
Общеизвестно, что у человека два круга кровообращения – большой и малый, когда сердце работает только на мозг. Оказывается, в мозг поступает четверть, а у новорожденного – половина всего кровевыброса. То есть мозг весит 1% от всей массы тела, а забирает четверть обогащенной кислородом и питательными веществами крови! А венозная кровь, которая выходит из мозга, не содержит кислорода.
Если в венозной крови нет кислорода, значит, произошли окислительно-восстановительные реакции, как в двигателе внутреннего сгорания автомобиля, которые перевели кислород и питательные вещества в какую-то энергию.
Закон сохранения энергии – это фундаментальный закон физики. Он работает везде и гласит, что энергия никуда не исчезает, а переходит в другие формы. В какие же формы переходит колоссальная энергия, поступившая в головной мозг?
Ведь в мозгу не совершается никаких механических движений. Может быть, в запасы? Но если перекрыть сонную артерию, через четыре секунды человек потеряет сознание. Следовательно, энергетических запасов в мозге нет.
Еще один вариант, который предлагает рассмотреть физика – переход энергии в тепло. Но головной мозг не нагревается никогда. Известно, что нейроны погибают при 42 градусах.
Тогда появилась гипотеза, что энергия мозга переходит в ментальное поле, поле мысли.
Приведу простой пример, который наглядно показывает, что такое энергия. Возьмем бутылку водки – пол литра. Это органические молекулы. Или бутылку бензина, тоже пол литра. На бутылке бензина большая машина, весящая несколько тонн, может проехать несколько километров. Вот какая энергетика находится в топливе.
Мы это топливо в виде пищи потребляем. Женщине, следящей за своей фигурой, в среднем в сутки нужно 2400 ккал, четверть из которых уходит в головной мозг.
У любого живого человека, даже если он немного ест, в головной мозг поступает такое количество энергии, достаточной для того, чтобы массу тела в сто килограмм (это два мешка цемента, или 10 полных ведер воды) поднять на два с половиной километра! Это энергия, которая уходит у любого человека в поле мысли! Ее средняя мощность 30-40 Вт.
Физик Виктор Поперечный сделал следующую оценку: используя данные о массе Солнца и энергии, которую излучает великое светило, он разделил энергетику на массу и посчитал плотность энергии Солнца. Получилось, что на килограмм массы мозг человека излучает почти в сто тысяч раз больше, чем килограмм Солнца! Вот какая энергетика мозга у человека!
— То есть, научившись правильно владеть своей энергией, современный человек с помощью мысли может не только повторить великие строения прошлых цивилизаций – пирамиды, стоунхенджи, но и совершать новые чудеса нашего века?
— Чтобы понять, что сделала Многомерная медицина, приведу простой пример. Если зимой в морозный солнечный день взять линзу, можно выжигать на дереве. То есть с нескольких квадратных сантиметров мы фокусируем и получаем колоссальную температуру. Мозг в сто тысяч раз мощнее, чем единица массы Солнца. Но наши мысли хаотически излучаются во все стороны, примерно как лампочка светит во все стороны.
Многомерная медицина – это методика фокусирования ментальной энергии. При огромной энергии мозга, способной поднимать на два километра груз в сто килограмм, камень в почке – пушинка.
Человечество вышло на тот уровень, когда можно решить любые задачи. Надо лишь уметь работать с этой энергетикой. И задачи гравитационные, такие как строительство пирамид и масса других вещей реально могут решаться, если правильно использовать энергию мысли.
Сейчас появляется возможность пойти принципиально другим путем, решить просто и эффективно те задачи, на которые современная наука тратит миллиарды. Нужно просто поменять свое мировоззрение.
Мозг, общение нейронов и энергетическая эффективность
По всей видимости, в эволюции сформировались энергетически эффективные механизмы кодирования и передачи информации в мозге. Подпись: «Усердно пытаюсь минимизировать энергозатраты».
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Клеточные процессы, обеспечивающие обмен информацией между нейронами, требуют много энергии. Высокое энергопотребление способствовало в ходе эволюции отбору наиболее эффективных механизмов кодирования и передачи информации. В этой статье вы узнаете о теоретическом подходе к изучению энергетики мозга, о его роли в исследованиях патологий, о том, какие нейроны более продвинуты, почему синапсам иногда выгодно не «срабатывать», а также, как они отбирают только нужную нейрону информацию.
Конкурс «био/мол/текст»-2017
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».
Происхождение подхода
С середины ХХ века известно, что головной мозг потребляет значительную часть энергоресурсов всего организма: четверть всей глюкозы и ⅕ всего кислорода в случае высшего примата [1–5]. Это вдохновило Уильяма Леви и Роберта Бакстера из Массачусетского технологического института (США) на проведение теоретического анализа энергетической эффективности кодирования информации в биологических нейронных сетях (рис. 1) [6]. В основе исследования лежит следующая гипотеза. Поскольку энергопотребление мозга велико, ему выгодно иметь такие нейроны, которые работают наиболее эффективно — передают только полезную информацию и затрачивают при этом минимум энергии.
Это предположение оказалось справедливым: на простой модели нейронной сети авторы воспроизвели экспериментально измеренные значения некоторых параметров [6]. В частности, рассчитанная ими оптимальная частота генерации импульсов варьирует от 6 до 43 имп./с — почти так же, как и у нейронов основания гиппокампа. Их можно подразделить на две группы по частоте импульсации: медленные (
40 имп./с). При этом первая группа значительно превосходит по численности вторую [7]. Аналогичная картина наблюдается и в коре больших полушарий: медленных пирамидальных нейронов (
4—9 имп./с) в несколько раз больше, чем быстрых ингибиторных интернейронов (>100 имп./с) [8], [9]. Так, видимо, мозг «предпочитает» использовать поменьше быстрых и энергозатратных нейронов, чтобы те не израсходовали все ресурсы [6], [9–11].
Рисунок 1. Представлены два нейрона. В одном из них фиолетовым цветом окрашен пресинаптический белок синаптофизин. Другой нейрон полностью окрашен зеленым флуоресцентным белком. Мелкие светлые крапинки — синаптические контакты между нейронами [12]. Во вставке одна «крапинка» представлена ближе.
Группы нейронов, связанных между собой синапсами, называются нейронными сетями [13], [14]. Например, в коре больших полушарий пирамидальные нейроны и интернейроны образуют обширные сети. Слаженная «концертная» работа этих клеток обусловливает наши высшие когнитивные и другие способности. Аналогичные сети, только из других типов нейронов, распределены по всему мозгу, определенным образом связаны между собой и организуют работу всего органа.
Что такое интернейроны?
Нейроны центральной нервной системы разделяются на активирующие (образуют активирующие синапсы) и тормозящие (образуют тормозящие синапсы). Последние в значительной степени представлены интернейронами, или промежуточными нейронами. В коре больших полушарий и гиппокампе они ответственны за формирование гамма-ритмов мозга [15], которые обеспечивают слаженную, синхронную работу других нейронов. Это крайне важно для моторных функций, восприятия сенсорной информации, формирования памяти [9], [11].
Интернейроны отличаются способностью генерировать значительно более высокочастотные сигналы, чем другие нейроны. Они также содержат больше митохондрий, главных органелл энергетического метаболизма, «фабрик» по производству АТФ. Последние к тому же содержат большое количество белков цитохром-с оксидазы и цитохрома-с, являющихся ключевыми для метаболизма. Так, интернейроны являются крайне важными и, в то же время, энергозатратными клетками [8], [9], [11], [16].
Работа Леви и Бакстера [6] развивает концепцию «экономии импульсов» Горация Барлоу из Университета Калифорнии (США), который, кстати, является потомком Чарльза Дарвина [17]. Согласно ей, при развитии организма нейроны стремятся работать только с наиболее полезной информацией, фильтруя «лишние» импульсы, ненужную и избыточную информацию. Однако эта концепция не дает удовлетворительных результатов, так как не учитывает метаболические затраты, связанные с нейрональной активностью [6]. Расширенный подход Леви и Бакстера, в котором внимание уделено обоим факторам, оказался более плодотворным [6], [18–20]. И энергозатраты нейронов, и потребность в кодировании только полезной информации являются важными факторами, направляющими эволюцию мозга [6], [21–24]. Поэтому, чтобы лучше разобраться в том, как устроен мозг, стоит рассматривать обе эти характеристики: сколько нейрон передает полезной информации и сколько энергии при этом тратит.
За последнее время этот подход нашел множество подтверждений [10], [22], [24–26]. Он позволил по-новому взглянуть на устройство мозга на самых разных уровнях организации — от молекулярно-биофизического [20], [26] до органного [23]. Он помогает понять, каковы компромиссы между выполняемой функцией нейрона и ее энергетической ценой и в какой степени они выражены.
Как же работает этот подход?
Положим, у нас есть модель нейрона, описывающая его электрофизиологические свойства: потенциал действия (ПД) и постсинаптические потенциалы (ПСП) (об этих терминах — ниже). Мы хотим понять, эффективно ли он работает, не тратит ли неоправданно много энергии. Для этого нужно вычислить значения параметров модели (например, плотность каналов в мембране, скорость их открывания и закрывания), при которых: (а) достигается максимум отношения полезной информации к энергозатратам и в то же время (б) сохраняются реалистичные характеристики передаваемых сигналов [6], [19].
Поиск оптимума
Эти «оптимальные» значения параметров затем нужно сравнить с измеренными экспериментально и определить, насколько они отличаются. Общая картина отличий укажет на степень оптимизации данного нейрона в целом: насколько реальные, измеренные экспериментально, значения параметров совпадают с рассчитанными. Чем слабее выражены отличия, тем нейрон более близок к оптимуму и работает энергетически более эффективно, оптимально. С другой стороны, сопоставление конкретных параметров покажет, в каком конкретно качестве этот нейрон близок к «идеалу».
Далее, в контексте энергетической эффективности нейронов рассмотрены два процесса, на которых основано кодирование и передача информации в мозге. Это нервный импульс, или потенциал действия, благодаря которому информация может быть отправлена «адресату» на определенное расстояние (от микрометров до полутора метров) и синаптическая передача, лежащая в основе собственно передачи сигнала от одного нейрона на другой.
Потенциал действия
Потенциал действия (ПД) — сигнал, которые отправляют друг другу нейроны. ПД бывают разные: быстрые и медленные, малые и большие [28]. Зачастую они организованы в длинные последовательности (как буквы в слова), либо в короткие высокочастотные «пачки» (рис. 2).
Большое разнообразие сигналов обусловлено огромным количеством комбинаций разных типов ионных каналов, синаптических контактов, а также морфологией нейронов [28], [29]. Поскольку в основе сигнальных процессов нейрона лежат ионные токи, стоит ожидать, что разные ПД требуют различных энергозатрат [20], [27], [30].
Что такое потенциал действия?
ПД — это относительно сильное по амплитуде скачкообразное изменение мембранного потенциала.
Анализ разных типов нейронов (рис. 4) показал, что нейроны беспозвоночных не очень энергоэффективны, а некоторые нейроны позвоночных почти совершенны [20]. По результатам этого исследования, наиболее энергоэффективными оказались интернейроны гиппокампа, участвующего в формировании памяти и эмоций, а также таламокортикальные релейные нейроны, несущие основной поток сенсорной информации от таламуса к коре больших полушарий.
Рисунок 4. Разные нейроны эффективны по-разному. На рисунке представлено сравнение энергозатрат разных типов нейронов. Энергозатраты рассчитаны в моделях как с исходными (реальными) значениями параметров (черные столбцы), так и с оптимальными, при которых с одной стороны нейрон выполняет положенную ему функцию, с другой — затрачивает при этом минимум энергии (серые столбцы). Самыми эффективными из представленных оказались два типа нейронов позвоночных: интернейроны гиппокампа (rat hippocampal interneuron, RHI) и таламокортикальные нейроны (mouse thalamocortical relay cell, MTCR), так как для них энергозатраты в исходной модели наиболее близки к энергозатратам оптимизированной. Напротив, нейроны беспозвоночных менее эффективны. Условные обозначения: SA (squid axon) — гигантский аксон кальмара; CA (crab axon) — аксон краба; MFS (mouse fast spiking cortical interneuron) — быстрый кортикальный интернейрон мыши; BK (honeybee mushroom body Kenyon cell) — грибовидная клетка Кеньона пчелы.
Почему они более эффективны? Потому что у них малó перекрывание Na- и К-токов. Во время генерации ПД всегда есть промежуток времени, когда эти токи присутствуют одновременно (рис. 3в). При этом переноса заряда практически не происходит, и изменение мембранного потенциала минимально. Но «платить» за эти токи в любом случае приходится, несмотря на их «бесполезность» в этот период. Поэтому его продолжительность определяет, сколько энергетических ресурсов растрачивается впустую. Чем он короче, тем более эффективно использование энергии [20], [26], [30], [43]. Чем длиннее — тем менее эффективно. Как раз в двух вышеупомянутых типах нейронов, благодаря быстрым ионным каналам, этот период очень короткий, а ПД — самые эффективные [20].
Кстати, интернейроны гораздо более активны, чем большинство других нейронов мозга. В то же время они крайне важны для слаженной, синхронной работы нейронов, с которыми образуют небольшие локальные сети [9], [16]. Вероятно, высокая энергетическая эффективность ПД интернейронов является некой адаптацией к их высокой активности и роли в координации работы других нейронов [20].
Синапс
Передача сигнала от одного нейрона к другому происходит в специальном контакте между нейронами, в синапсе [12]. Мы рассмотрим только химические синапсы (есть еще электрические), поскольку они весьма распространены в нервной системе и важны для регуляции клеточного метаболизма, доставки питательных веществ [5].
Чаще всего, химический синапс образован между окончанием аксона одного нейрона и дендритом другого. Его работа напоминает. «переброс» эстафетной палочки, роль которой и играет нейромедиатор — химический посредник передачи сигнала [12], [42], [44–48].
На пресинаптическом окончании аксона ПД вызывает выброс нейромедиатора во внеклеточную среду — к принимающему нейрону. Последний только этого и ждет с нетерпением: в мембране дендритов рецепторы — ионные каналы определенного типа — связывают нейромедиатор, открываются и пропускают через себя разные ионы. Это приводит к генерации маленького постсинаптического потенциала (ПСП) на мембране дендрита. Он напоминает ПД, но значительно меньше по амплитуде и происходит за счет открывания других каналов. Множество этих маленьких ПСП, каждый от своего синапса, «сбегаются» по мембране дендритов к телу нейрона (зеленые стрелки на рис. 3а) и достигают начального сегмента аксона, где вызывают открывание Na-каналов и «провоцируют» его на генерацию ПД.
Такие синапсы называются возбуждающими: они способствуют активации нейрона и генерации ПД. Существуют также и тормозящие синапсы. Они, наоборот, способствуют торможению и препятствуют генерации ПД. Часто на одном нейроне есть и те, и другие синапсы. Определенное соотношение между торможением и возбуждением важно для нормальной работы мозга, формирования мозговых ритмов, сопровождающих высшие когнитивные функции [49].
Как это ни странно, выброс нейромедиатора в синапсе может и не произойти вовсе — это процесс вероятностный [18], [19]. Нейроны так экономят энергию: синаптическая передача и так обусловливает около половины всех энергозатрат нейронов [25]. Если бы синапсы всегда срабатывали, вся энергия пошла бы на обеспечение их работы, и не осталось бы ресурсов для других процессов. Более того, именно низкая вероятность (20–40%) выброса нейромедиатора соответствует наибольшей энергетической эффективности синапсов. Отношение количества полезной информации к затрачиваемой энергии в этом случае максимально [18], [19]. Так, выходит, что «неудачи» играют важную роль в работе синапсов и, соответственно, всего мозга. А за передачу сигнала при иногда «не срабатывающих» синапсах можно не беспокоиться, так как между нейронами обычно много синапсов, и хоть один из них да сработает.
Еще одна особенность синаптической передачи состоит в разделении общего потока информации на отдельные компоненты по частоте модуляции приходящего сигнала (грубо говоря, частоте приходящих ПД) [50]. Это происходит благодаря комбинированию разных рецепторов на постсинаптической мембране [38], [50]. Некоторые рецепторы активируются очень быстро: например, AMPA-рецепторы (AMPA происходит от α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid). Если на постсинаптическом нейроне представлены только такие рецепторы, он может четко воспринимать высокочастотный сигнал (такой, как, например, на рис. 2в). Ярчайший пример — нейроны слуховой системы, участвующие в определении местоположения источника звука и точном распознавании коротких звуков типа щелчка, широко представленных в речи [12], [38], [51]. NMDA-рецепторы (NMDA — от N—methyl-D—aspartate) более медлительны. Они позволяют нейронам отбирать сигналы более низкой частоты (рис. 2г), а также воспринимать высокочастотную серию ПД как нечто единое — так называемое интегрирование синаптических сигналов [14]. Есть еще более медленные метаботропные рецепторы, которые при связывании нейромедиатора, передают сигнал на цепочку внутриклеточных «вторичных посредников» для подстройки самых разных клеточных процессов. К примеру, широко распространены рецепторы, ассоциированные с G-белками. В зависимости от типа они, например, регулируют количество каналов в мембране или напрямую модулируют их работу [14].
Различные комбинации быстрых AMPA-, более медленных NMDA- и метаботропных рецепторов позволяют нейронам отбирать и использовать наиболее полезную для них информацию, важную для их функционирования [50]. А «бесполезная» информация отсеивается, она не «воспринимается» нейроном. В таком случае не приходится тратить энергию на обработку ненужной информации. В этом и состоит еще одна сторона оптимизации синаптической передачи между нейронами.
Что еще?
Энергетическая эффективность клеток мозга исследуется также и в отношении их морфологии [35], [52–54]. Исследования показывают, что ветвление дендритов и аксона не хаотично и тоже экономит энергию [52], [54]. Например, аксон ветвится так, чтобы суммарная длина пути, который проходит ПД, была наименьшей. В таком случае энергозатраты на проведение ПД вдоль аксона минимальны.
Снижение энергозатрат нейрона достигается также при определенном соотношении тормозящих и возбуждающих синапсов [55]. Это имеет прямое отношение, например, к ишемии (патологическому состоянию, вызванному нарушением кровотока в сосудах) головного мозга. При этой патологии, вероятнее всего, первыми выходят из строя наиболее метаболически активные нейроны [9], [16]. В коре они представлены ингибиторными интернейронами, образующими тормозящие синапсы на множестве других пирамидальных нейронов [9], [16], [49]. В результате гибели интернейронов, снижается торможение пирамидальных. Как следствие, возрастает общий уровень активности последних (чаще срабатывают активирующие синапсы, чаще генерируются ПД). За этим немедленно следует рост их энергопотребления, что в условиях ишемии может привести к гибели нейронов.
При изучении патологий внимание уделяют и синаптической передаче как наиболее энергозатратному процессу [19]. Например, при болезнях Паркинсона [56], Хантингтона [57], Альцгеймера [58–61] происходит нарушение работы или транспорта к синапсам митохондрий, играющих основную роль в синтезе АТФ [62], [63]. В случае болезни Паркинсона, это может быть связано с нарушением работы и гибелью высоко энергозатратных нейронов черной субстанции, важной для регуляции моторных функций, тонуса мышц. При болезни Хантингтона, мутантный белок хангтингтин нарушает механизмы доставки новых митохондрий к синапсам, что приводит к «энергетическому голоданию» последних, повышенной уязвимости нейронов и избыточной активации. Все это может вызвать дальнейшие нарушения работы нейронов с последующей атрофией полосатого тела и коры головного мозга. При болезни Альцгеймера нарушение работы митохондрий (параллельно со снижением количества синапсов) происходит из-за отложения амилоидных бляшек. Действие последних на митохондрии приводит к окислительному стрессу, а также к апоптозу — клеточной гибели нейронов.
Еще раз обо всем
В конце ХХ века зародился подход к изучению мозга, в котором одновременно рассматривают две важные характеристики: сколько нейрон (или нейронная сеть, или синапс) кодирует и передает полезной информации и сколько энергии при этом тратит [6], [18], [19]. Их соотношение является своего рода критерием энергетической эффективности нейронов, нейронных сетей и синапсов.
Использование этого критерия в вычислительной нейробиологии дало существенный прирост к знаниям относительно роли некоторых явлений, процессов [6], [18–20], [26], [30], [43], [55]. В частности, малая вероятность выброса нейромедиатора в синапсе [18], [19], определенный баланс между торможением и возбуждением нейрона [55], выделение только определенного рода приходящей информации благодаря определенной комбинации рецепторов [50] — все это способствует экономии ценных энергетических ресурсов.
Более того, само по себе определение энергозатрат сигнальных процессов (например, генерация, проведение ПД, синаптическая передача) позволяет выяснить, какой из них пострадает в первую очередь при патологическом нарушении доставки питательных веществ [10], [25], [56]. Так как больше всего энергии требуется для работы синапсов, именно они первыми выйдут из строя при таких патологиях, как ишемия, болезни Альцгеймера и Хантингтона [19], [25]. Схожим образом определение энергозатрат разных типов нейронов помогает выяснить, какой из них погибнет раньше других в случае патологии. Например, при той же ишемии, в первую очередь выйдут из строя интернейроны коры [9], [16]. Эти же нейроны из-за интенсивного метаболизма — наиболее уязвимые клетки и при старении, болезни Альцгеймера и шизофрении [16].
В общем, подход к определению энергетически эффективных механизмов работы мозга является мощным направлением для развития и фундаментальной нейронауки, и ее медицинских аспектов [5], [14], [16], [20], [26], [55], [64].
Благодарности
Искренне благодарен моим родителям Ольге Наталевич и Александру Жукову, сестрам Любе и Алене, моему научному руководителю Алексею Браже и замечательным друзьям по лаборатории Эвелине Никельшпарг и Ольге Слатинской за поддержку и вдохновение, ценные замечания, сделанные при прочтении статьи. Я также очень благодарен редактору статьи Анне Петренко и главреду «Биомолекулы» Антону Чугунову за пометки, предложения и замечания.