Мозг лягушки-быка имеет резервный источник питания на случай истощения энергии 

Фото из открытых источников

После спячки мозговые цепи лягушки-быка могли продолжать функционировать без глюкозы, вырабатывая и используя кетоновые тела внутри мозга. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале PNAS.

Человеческий мозг нуждается в постоянном притоке энергии каждую секунду суток. Когда эта энергетическая система выходит из строя, нервные клетки начинают испытывать трудности с передачей сигналов, и важные функции мозга могут начать давать сбой. Это одна из причин, почему исследователям так важно изучать, как мозг реагирует, когда его привычное топливо становится дефицитным.

Изменения в использовании глюкозы мозгом связывают с такими заболеваниями, как инсульт, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз, а также со старением, хотя роль энергетического метаболизма в этих случаях значительно различается. В ходе нового эксперимента с лягушками-быками был выявлен необычный способ выживания.

У лягушек-быков, впавших в спячку, части мозга могут продолжать функционировать, даже когда они больше не могут использовать глюкозу. Вместо этого мозг начинает в значительной степени полагаться на кетоновые тела, вырабатываемые самим мозгом.

Глюкоза — это простой сахар, переносимый кровью, и она обеспечивает большую часть энергии, используемой мозгом. Мозг взрослого человека также способен сжигать другие виды топлива, включая лактат и кетоновые тела, но эти виды топлива обычно не могут полностью заменить глюкозу, когда она исчезает. Поэтому находка с лягушкой необычна. Эти животные, похоже, временно меняют правила, которым обычно подчиняется их мозг.

Работу возглавил Джозеф Сантин из Университета Миссури-Колумбия. Хафса Ясин и Сантин стали соавторами.

«Ученые в целом считают, что кетоны поступают в мозг из других частей тела», — сказал Сантин. «Именно поэтому это открытие так захватывающе. Это как найти резервный генератор внутри здания, где, как все считали, был только один источник питания».

Лягушки-быки проводят длительное время под водой во время спячки. Они перестают есть, их метаболизм замедляется, а запасы кислорода и энергии истощаются. Сложности начинаются, когда животные снова становятся активными. Им необходимо перезапустить мозговые цепи, даже если организму по-прежнему не хватает кислорода и энергии.

Ранее проведенные исследования уже показали, что спячка помогает мозговым цепям лягушек выживать в условиях острой нехватки кислорода и глюкозы. В новых экспериментах был задан более конкретный вопрос: могут ли эти цепи продолжать работать, даже если они больше не способны перерабатывать глюкозу?

Команда сосредоточила внимание на цепи ствола головного мозга, которая контролирует дыхание. Они удалили ствол головного мозга и спинной мозг, оставив цепь активной вне тела, что позволило им исследовать ткани головного мозга без помощи печени, кровотока или других органов.

Затем исследователи удалили глюкозу из жидкости, окружающей ткань. Они также добавили химическое вещество, которое блокировало нормальную переработку глюкозы оставшейся тканью. У контрольных лягушек ритм дыхания быстро ослабел. У лягушек, прошедших спячку, ритм оставался близким к исходному уровню в течение 60 минут и продолжался гораздо дольше, хотя и замедлился к 90 минутам.

Когда исследователи полностью исключили кислород, оставшаяся активность прекратилась. Это показало, что спящая мозговая ткань по-прежнему вырабатывала энергию с помощью кислорода, но использовала для этого что-то другое, помимо глюкозы.

Затем команда исследовала синапсы — крошечные соединения, через которые нервные клетки передают сигналы друг другу. Синапсы потребляют много энергии, поэтому они часто одними из первых начинают испытывать трудности в нейронной цепи, когда запасы энергии истощаются.

В контрольной ткани сигналы через эти соединения неуклонно ослабевали при отсутствии метаболизма глюкозы. В ткани в состоянии спячки они оставались близкими к норме. Исследователи протестировали два возможных альтернативных вида топлива: лактат и бета-гидроксибутират, или BHB. BHB — это распространенный тип кетоновых тел.

Оба вида топлива показали лучшие результаты в тканях в состоянии спячки, чем в контрольной группе, но BHB оказался гораздо эффективнее. Он позволил мозговой цепи в состоянии спячки продолжать функционировать на уровне, близком к нормальному, когда глюкоза была недоступна.

Одним из наиболее интересных открытий стало то, что у лягушек, впадающих в спячку, не просто имелись гораздо большие запасы BHB в мозге. Вместо этого уровень BHB оставался стабильным, в то время как мозг продолжал функционировать без глюкозы. Это говорит о том, что ткани производили новый BHB, одновременно сжигая его для получения энергии.

Исследователи проверили эту идею, заблокировав выработку кетонов. В результате связь между нервными клетками ослабла. Затем они начали подавать BHB извне ткани. Сигналы нервных клеток снова улучшились, в то время как при отсутствии подачи BHB они продолжали падать.

Простое применение BHB для контроля состояния мозга лягушек не решило проблему. Синапсы по-прежнему выходили из строя, даже когда метаболизм глюкозы был заблокирован. Это говорит о том, что спячка не только увеличивает выработку кетонов. Она также изменяет мозг таким образом, что его клетки становятся более способными перемещать кетоны и использовать их в качестве топлива.

Эта разница важна, потому что она показывает, что дело не просто в наличии дополнительного источника энергии поблизости. Вся энергетическая система, по-видимому, меняется во время спячки.

Исследователи также изучили астроциты — вспомогательные клетки, которые помогают контролировать химическую среду вокруг нейронов. Эти клетки способны накапливать жиры и другие богатые энергией вещества.

При нарушении функции астроцитов ткани лягушки, впадающей в спячку, теряли значительную часть своей способности поддерживать работу синапсов без глюкозы. Полученные результаты позволяют предположить, что астроциты могут быть важным источником локально синтезируемых кетонов.

Также исследователи обнаружили повышенную активность нескольких генов, участвующих в расщеплении жиров и перемещении кетонов между клетками. Однако измерения проводились на образцах целой ткани ствола головного мозга, поэтому исследователи не смогли точно определить, какие именно клетки вызывали каждое изменение.

Та же резервная система оказалась полезной и в период нехватки кислорода. Когда исследователи постепенно снижали уровень кислорода, сохраняя при этом доступность глюкозы, контрольные нейронные цепи головного мозга начинали замедляться, как только уровень кислорода падал достаточно низко. При этом нейронные цепи в состоянии спячки у лягушек продолжали работать гораздо лучше.

Блокирование выработки кетонов в значительной степени лишило мозг этого преимущества. Поступление BHB восстановило его, что позволяет предположить, что локально синтезируемые кетоны также помогают этим мозговым цепям справляться с условиями низкого содержания кислорода.

Кетоны, возможно, выполняют не только функцию обеспечения энергией, поскольку BHB также может влиять на клеточную сигнализацию. Эксперименты не позволили полностью разделить эти две роли.

Полученные результаты не означают, что человеческий мозг может внезапно отключить использование глюкозы или вырабатывать достаточное количество кетонов, чтобы пережить сильную потерю энергии. В экспериментах использовались ткани ствола головного мозга лягушек, и другие виды топлива также могли способствовать работе нейронных сетей, участвующих в спячке.

Тем не менее, эта работа демонстрирует нечто важное о гибкости мозга взрослого позвоночного животного.

Нейронная цепь, которая обычно в значительной степени зависит от глюкозы, может быть перестроена таким образом, чтобы производить и использовать другое топливо, когда условия становятся сложными.

Для здоровья человека важно понимать, как происходит это переключение. Если исследователям удастся выяснить, какие биологические изменения позволяют мозгу лягушек защищать нейронную активность во время нехватки энергии, они могут получить новые идеи для изучения состояний, при которых нарушается использование энергии мозгом.

До появления методов лечения до этого еще далеко. Пока что лягушки представляют собой яркий пример того, насколько гибким может стать метаболизм мозга под воздействием экстремальных нагрузок.