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

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 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. 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 колебания могут вызвать изменение формы транспортера, вызывая постоянный расход энергии, даже когда нейротрансмиттер не загружается», – сказал он.

По словам доктора Райана, хотя утечка из одной везикулы будет крошечной, в человеческом мозгу есть по крайней мере сотни триллионов синаптических везикул, поэтому утечка энергии действительно возрастет.

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.

«Если бы у нас был способ безопасно снизить эту утечку энергии и, таким образом, замедлить метаболизм мозга, это могло бы иметь очень большое клиническое значение», – сказал доктор Райан.