Последовательная активация нейронов регулирует потребление пищи

Процесс приема пищи, по-видимому, организован на клеточном уровне как эстафета: во время еды эстафета передается между различными командами нейронов, пока мы не потребим необходимое количество энергии. К такому выводу пришли ученые из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU). Благодаря этому сложному механизму мозг, вероятно, следит за тем, чтобы мы не ели слишком мало и не слишком много. Сбои в этом процессе могут привести к расстройствам пищевого поведения, таким как анорексия или компульсивное переедание. Результаты опубликованы в журнале Journal of Neuroscience.

Чтобы выжить, нам необходимо регулярно восполнять запасы энергии, принимая пищу. Этот процесс координируется в гипоталамусе, важном центре управления в мозге. Гипоталамус постоянно получает важную информацию от нашего тела и окружающей среды, например, день сейчас или ночь, или низкий уровень сахара в крови. Основываясь на этих данных, он запускает определенные врожденные модели поведения, например, ложимся спать, когда темно, или направляемся к холодильнику, когда мы голодны.

Но как мозг следит за тем, чтобы мы не прекращали есть, когда первоначальный голод утихает, а рецепторы растяжения в желудке сигнализируют о поступлении пищи? «Когда мы едим, мы быстро переключаемся с того, что мы называем «аппетитным» поведением на «потребительское» поведение», — говорит профессор Алексей Пономаренко из Института физиологии и патофизиологии FAU. «Мы мало знаем о том, как мозг контролирует продолжительность этой фазы потребления. Она не должна быть ни слишком длинной, ни слишком короткой, чтобы мы получали нужное количество энергии».

Под руководством профессора Пономаренко ученые FAU совместно с командой из университетской клиники Кельна исследовали, что происходит в мозге во время еды. Исследователи изучали гипоталамус мыши, который по своей структуре похож на гипоталамус человека. «Мы проанализировали электрическую активность определенной области гипоталамуса с помощью метода искусственного интеллекта», — объясняет математик Махса Альтафи, докторант FAU и соавтор исследования. «Это позволило нам определить, какие нейроны активизируются — то есть генерируют электрические импульсы — в определенные моменты во время приема пищи».

Ученый смог выделить четыре отдельные группы нейронов, которые последовательно активизируются во время процесса еды. Эти группы нейронов работают вместе, как бегуны-эстафетники, каждая из которых участвует в разных фазах гонки. «Мы подозреваем, что эти группы по-разному взвешивают информацию, которую они получают от тела, например, уровень сахара в крови, количество гормонов голода и степень наполненности желудка», — говорит профессор Пономаренко. Четвертая группа, например, может придавать больше веса датчикам растяжения, чем первая группа. «Вот так гипоталамус может гарантировать, что мы едим не слишком мало и не слишком много».

Исследователи также рассмотрели, как нейроны в каждой команде общаются друг с другом. Давно известно, что нейроны имеют ритм активности: есть моменты, когда они особенно возбудимы, и моменты, когда они едва активизируются. Эти фазы регулярно чередуются — часто десятки раз в секунду или больше. Чтобы общаться, нейроны должны колебаться в одном и том же ритме. Это как использование рации: оба устройства должны быть настроены на одну и ту же частоту, иначе вы услышите только помехи.

«Теперь мы смогли показать, что группы нейронов, участвующих в приеме пищи, все общаются на одних и тех же частотах», — говорит профессор Пономаренко. «Напротив, группы нейронов, отвечающие за другие виды поведения, такие как исследование окружающей среды или социальное взаимодействие, предпочитают общаться на другом канале». Это, вероятно, облегчает нейронам, участвующим в приеме пищи, обмен информацией и остановку процесса приема пищи в нужное время. Это открытие может даже иметь терапевтический потенциал: уже сейчас можно влиять на ритм нейронов извне, например, с помощью осциллирующих магнитных полей. Возможно, таким образом можно улучшить коммуникацию этих «команд питания». В случае успеха это может помочь облегчить расстройства пищевого поведения — по крайней мере, на это есть долгосрочная надежда.

«У мышей колебательное поведение нейронов может быть еще более непосредственно затронуто оптогенетическими манипуляциями», — объясняет Пономаренко. «Сейчас мы планируем провести дополнительное исследование, чтобы выяснить, как это влияет на их пищевое поведение».