глюкоза способствует работе мозга
Глюкоза способствует работе мозга
Фрагмент «Глюкоза — основное топливо для нашего мозга»
«Ты, бабушка, сначала напои, накорми дорожного человека, а потом уж и спрашивай», — пенял в сказке Алексея Толстого Иван Бабе-яге, и был совершенно прав. Когда мы голодны, мозг функционирует в аварийном режиме: ему остро не хватает питания, и выполнять сложные задачи он не способен. Основным топливом для мозга, в отличие от других органов, служит исключительно глюкоза, которую организм добывает из съеденной нами пищи. И скромными аппетиты мозга не назовешь: хотя его масса составляет около 2% от массы тела, на работу этого органа уходит примерно 20% всех полученных организмом калорий. Хранилищ или запасных складов у мозга нет, поэтому ему необходим постоянный приток глюкозы: для бесперебойной работы наше серое вещество должно ежедневно поглощать около 120 граммов этого сахара [9], что эквивалентно 420 ккал (эти цифры особенно рекомендуются к ознакомлению вечно стройнеющим девушкам, стремящимся в азарте похудательной гонки сократить дневной рацион примерно до нуля килокалорий, а в идеале и вовсе до отрицательных значений).
Глюкоза — универсальный (хотя и не единственный) источник энергии для всего человеческого организма. В результате сложного биохимического процесса под названием «гликолиз» глюкоза расщепляется до более простых молекул, а полученная при этом энергия запасается в форме АТФ — особой клеточной «батарейки», которая питает все метаболические процессы. Мозг производит АТФ из глюкозы «по требованию»: если в данный момент энергия нужна, например, зрительной коре, то туда начинает активно поступать сахар, который превращается в энергию на месте. Основная часть (около 60–70%) полученных из глюкозы килокалорий нужна мозгу для того, чтобы проводить нервные импульсы. Кроме того, он постоянно тратит энергию на синтез нейромедиаторов — небольших, но крайне важных молекул, которые управляют всеми аспектами работы мозга и через его посредничество — остального организма, и их рецепторов.
Долгое время считалось, что концентрация глюкозы в разных отделах мозга примерно одинакова. Однако в последние годы были разработаны сверхточные методы, которые позволяют определять содержание этого сахара в отдельных регионах мозга. И оказалось, что наблюдаемая однородность была всего лишь следствием несовершенных измерений. Точно так же Марс веками казался астрономам ровным и гладким, но появились мощные телескопы — и наблюдатели с удивлением выяснили, что его поверхность сплошь покрыта кратерами, горными хребтами, рытвинами и каньонами.
Для решения некоторых задач глюкоза расходуется буквально в режиме реального времени
Более того, отдельные мозговые процессы буквально «высасывают» глюкозу, причем ее содержание падает не в целом по мозгу, а только в зонах, которые ответственны за решение конкретной задачи. Например, у крыс, которые пытались выучить, как расположены проходы в лабиринте, уровень сахара в гиппокампе — области мозга, которая участвует в обработке и хранении пространственной информации, падал на 30% [10]. Чтобы восполнить запас глюкозы, нужно время — и, собственно, глюкоза.
Проверить, что происходит с сахаром в мозгу у людей, пока не получается: новые высокоточные методы, о которых говорилось в предыдущем абзаце, всем хороши, но требуют, чтобы подопытный был представлен в виде срезов тканей. Зато увидеть, как голодающий мозг вытягивает глюкозу из крови, вполне можно. Например, если заставить добровольцев последовательно вычитать семерки из ста и параллельно брать у них образцы крови. Тест с семерками был придуман в 1942 году и с тех пор активно используется (вместе с некоторыми другими заданиями) докторами, которые подозревают у пациентов деменцию и другие нарушения работы мозга. Психиатры и неврологи считают, что тест не сложен, но в нем легко ошибиться, если нарушена концентрация внимания. Измерения концентрации глюкозы в крови добровольцев до и после вычитания показывают, что на вроде бы простые арифметические усилия расходуется огромное количество сахара. Если перед математическим испытанием напоить участников сладкой водой, уровень глюкозы в крови после теста все равно упадет, зато с заданием они справятся куда лучше [11].
Прежде чем читать дальше, отнимите от сотни семерку хотя бы восемь раз подряд. Теперь переверните страницу и посмотрите внизу правильный ответ*. Не расстраивайтесь, если ваши цифры отличаются: в 1982 году профессор медицинской школы Канзасского университета в Уичита Роберт Мэннинг засомневался, так ли уж прост этот тест, и попросил людей с высшим образованием и высоким социальным статусом выполнить его. Безошибочно провести все 14 вычитаний смогли 56 человек из 132, еще 25 обсчитались один раз, другие 18 — два раза. Из оставшихся трое вообще не смогли ничего посчитать, а 31 допустили от 3 до 12 ошибок [12]. Похоже, психиатры излишне строги к своим пациентам, а последовательное вычитание по семь из ста — нетривиальная для большинства людей задача, требующая изрядного самоконтроля.
Количество сахара в мозгу определяет, сможем ли мы противиться искушениям
Читатель наверняка догадался, что все эти разглагольствования про глюкозу неспроста: да, именно ее многие исследователи считают тем самым ресурсом, который истощается, когда мы пытаемся сдерживать свои порывы. Конечно, никто не приравнивает запас глюкозы в определенных зонах мозга к запасу силы воли — это было бы некорректным упрощением. Но сам факт, что во многом именно это вещество определяет, сможем ли мы устоять перед соблазнами, находит все больше подтверждений.
На первый взгляд кажется довольно странным увязывать столь сложный процесс, как самоконтроль, с такой банальной вещью, как сахар. Но если копнуть чуть глубже, это предположение не выглядит таким уж безумным. Глюкоза, без всяких преувеличений, одно из самых важных веществ в нашем организме, и нарушения его метаболизма приводят к тяжелейшим последствиям для всех органов, в том числе и мозга. Несколько упрощая, можно сравнить глюкозу с бензином: сколь бы сложной ни была машина, каким бы мощным ни был ее бортовой компьютер, если в баке нет топлива, никакие из этих наворотов не помогут. Читатель может резонно возразить, что если бензин есть, то BMW последней модели по всем характеристикам обгонит старенькую «девятку». Это, безусловно, верно, и мы подробно обсудим «встроенные» механизмы, определяющие силу воли, в следующих главах. Но так же верно и то, что если у BMW проблемы в системе подачи бензина к органам управления автомобилем, то ездить она будет не намного лучше «девятки».
В норме организм стремится поддерживать постоянную концентрацию глюкозы в крови — примерно на уровне 4,2–4,6 ммоль / л. Хотя, как было написано выше, мозг потребляет глюкозу неравномерно, «в среднем по больнице» можно говорить о равновесии между концентрацией этого сахара в целом в крови и в мозгу. Если для выполнения какой-либо особо сложной задачи мозгу нужно больше глюкозы, он черпает ее из общего запаса глюкозы в крови — а значит, концентрация сахара там падает. Это было подтверждено, например, в описанном выше эксперименте с последовательным вычитанием семерок. Соответственно, если изначально дать организму дополнительную глюкозу, например, влив в него чай с сахаром или другой сладкий напиток, мозг получит больше ресурсов для решения задачи: даже если одолеть ее получится не сразу, доступная глюкоза не закончится. И наоборот, если изначально содержание сахара в крови невелико, мозгу будет не хватать топлива для полноценной работы, и он будет хуже справляться со своими обязанностями.
Можно легко придумать эксперименты, которые подтвердят или опровергнут эти предположения. Например, напоить добровольцев сладкой водой, заставить проходить тест Струпа**, а потом сравнить их результаты с результатами тех, кто пытался игнорировать значение цветных букв без глюкозной «подпитки». Такие опыты проводились неоднократно [например, 13], и испытуемые, у которых изначальный уровень глюкозы в крови был выше, действительно справлялись с заданием быстрее.
В старые добрые времена, когда этические комитеты не так свирепствовали, исследователи порой баловались совсем уж радикальными опытами. В 1997 году немецкие нейрофизиологи вкололи добровольцам изрядную дозу инсулина, чтобы наверняка спровоцировать у них состояние гипогликемии — значительного понижения уровня сахара в крови. Потом несчастных усадили перед экраном с двумя кнопками и дали указание нажимать на них только тогда, когда на мониторе будут появляться нужные буквы нужного цвета. Причем правую кнопку полагалось жать в ответ на одну букву, скажем, «М», а левую — когда высвечивалась другая, например, «Т». Это непросто сделать и в нормальном состоянии, но без сахара процент ошибок и время реакции стали совсем уж неприлично большими [14].
**Тест Струпа — лабораторный тест, который часто используется, чтобы определить, насколько хорошо человек умеет сдерживать свои порывы совершить желаемое, но неправильное действие. Испытуемому предлагают называть, шрифтом какого цвета набраны написанные слова. Сложность в том, что слова — это названия цветов, при этом они набраны не тем цветом, который обозначают. Например, слово «зеленый» набрано красным цветом, а «синий» — желтым. Глядя на слово, человек стремится прочитать его, а не назвать цвет букв.
9. Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L. // Biochemistry. 5th edition. New York: W. H. Freeman; 2002.
10. McNay E. C., McCarty R. C., Gold P. E. Fluctuations in brain glucose concentration during behavioral testing: dissociations between brain areas and between brain and blood // Neurobiology of Learning and Memory. 2001 May; 75 (3): 325–37.
11. Scholey A. B., Harper S., Kennedy D. O. Cognitive demand and blood glucose // Physiology & Behavior. 73 (2001) 585–92.
12. Manning R. T. The Serial Sevens Test // Archives of Internal Medicine. 1982; 142 (6): 1192.
13. Benton D., Owens D. S., Parker P. Y. Blood glucose influences memory and attention in young adults // Neuropsychologia. 1994 May; 32 (5): 595–607.
14. Smid H. G., Trümper B. G., Pottag G., Wagner K., Lobmann R., Scheich H., Lehnert H., Heinze H. J. Differentiation of hypoglycaemia induced cognitive impairments. An electrophysiological approach // Brain. 1997 Jun; 120 (Pt 6): 1041–56
«Мозгу нужен сахар» и еще 6 распространенных мифов об углеводах
Углеводы — это органические соединения — сахариды, в процессе расщепления которых образуется главная энергетическая монета организма — глюкоза. С кровью глюкоза доставляется в клетки при участии гормона инсулина.
Глюкозой мы «расплачиваемся» за все процессы, происходящие в нашем теле — работа центральной нервной системы, мозга, мышц, пищеварения и другие жизненно важные функции. Избыток глюкозы преобразуется в запасное вещество — гликоген, который хранится в мышцах, печени, сердце.
Эти запасы дают нам возможность нормально функционировать и не падать в обморок между приемами пищи. Если запасы гликогена переполнены, то избыток глюкозы превращается в жир.
Миф № 1: От углеводов толстеют
Мы толстеем не от определенных продуктов, а от переизбытка калорий в целом. Просто углеводсодержащие продукты — это вкусно, и многие не могут отказаться от добавки. Скорее всего, это будет не дополнительная порция овощей и зелени, а очередная пачка печенья или шоколадка.
Миф № 2: Продукты с высоким ГИ приводят к накоплению жира
Простые углеводы вызывают быстрое повышение глюкозы в крови и стимулируют выброс большого количества инсулина. Если подобные скачки происходят слишком часто, то может развиться инсулинорезистентность — клетки теряют чувствительность к инсулину, растёт концентрация глюкозы в крови, которая в дальнейшем перерабатывается в жир. Также резкий спад инсулина вслед за его подъемом, приводит к быстрому возникновению чувства голода.
Мы снова едим и снова получаем калории. Продуктами с высоким ГИ легче переесть, поэтому перекусывать сладостями не стоит.
Миф № 3: Сахар нужен мозгу
Нервные клетки вкусового аппарата воспринимают сладкий вкус и дают сигнал в мозг к выработке эндорфинов и дофамина — химических соединений, приносящих удовольствие. Эти вещества на время уменьшают боль и стресс. Кроме того, сахар обеспечивает почти мгновенный прилив энергии, усталость уходит, повышается настроение и увеличивается работоспособность. У человека закрепляется рефлекс, что сладости — это классно.
Но эффект длится недолго. Вскоре, чтобы почувствовать прилив сил, нам снова нужна доза. Со временем без сладкого становится совсем грустно. А дозу все время приходится повышать для того, чтобы просто почувствовать себя нормально. Всемирная организация здравохранения рекомендует ограничить потребление сахара до 10%
от суточной калорийности рациона.
Миф № 4: Коричневый сахар полезнее, чем белый
Обычно коричневый сахар получают добавлением мелассы в кристаллы белого сахара. За счет этого немного повышается содержание в сахаре минеральных веществ, но настолько незначительно, что влияния на здоровье добавка не оказывает. Вкусовые свойства коричневого и белого сахара различны, но прочие отличия между ними минимальны.
Миф № 5: От фруктов нельзя поправиться
Фрукты содержат сахар — фруктозу. Усвоение глюкозы и фруктозы отличается. Если глюкоза хранится в виде гликогена в мышцах и печени, то фруктоза такой формы не имеет. Фруктоза в организме имеет 3 пути:
50 г чистой фруктозы можно съесть без угрозы образования нового жира. Не углеводов, содержащихся во фруктах, а именно фруктозы. А это около килограмма бананов. Фрукты должны присутствовать в вашем рационе и если не превышать норму калорий, то они принесут только пользу.
Миф № 6: Фруктовые соки помогают худеть
С фруктовыми соками стоит быть аккуратными. В отличие от цельных фруктов соки почти не содержат клетчатки, у которой нет энергетической ценности, поэтому в них гораздо больше калорий на единицу массы. Сок может быть панацеей, если вы употребляете его вместО еды, а не вместЕ с едой. Свежевыжатые соки значительно меньше нагружают пищеварительную систему, чем твердая пища.
Поэтому энергия, которая обычно идет на переваривание, может быть направлена на очистительные и восстановительные процессы. Однозначное ДА стоит сказать зеленым и овощным сокам. Они богаты антиоксидантами, витаминами и почти не содержат сахар. Поэтому именно зелёным стоит отдавать своё предпочтение в разнообразном сочном мире.
Миф № 7: Глютен опасен для здоровья
Глютен — это белок, содержащийся в пшенице, ячмене, камуте и спельте (полбе). По данным Всемирной организации гастроэнтерологов (WGO), примерно 1% людей во всём мире страдает генетической непереносимостью продуктов питания, в составе которых есть глютен. Таким людям строго не рекомендовано употреблять любые продукты из пшеницы, ржи или ячменя.
Пищеварительная система всех остальных 99% людей усваивает глютен по-разному. У некоторых иммунная система проявляет чрезмерную бдительность и рассматривает глютен как чужеродного агента, начинает производить в ответ антитела, которые кроме глютена могут поражать собственные ткани организма. Это может проявляться как воспаление, болезни суставов, кожи, тревожность и скачки настроения.
Почему мозг не может без глюкозы, и откуда ее лучше брать?
Мозгу постоянно нужна энергетическая подпитка, чтобы он был активным. И если тело может извлекать энергию из жира и сахара, то мозгу нужна исключительно глюкоза.
Глюкоза — главное топливо
Углеводы, которые с продуктами попадают в организм, превращаются в глюкозу. Она всасывается в кровь и разносится по всему организму, предоставляя энергию для метаболизма. Именно глюкоза обеспечивает питание миллиардов клеток мозга. Поскольку мозг работает постоянно, то и расходует он глюкозу непрерывно, не успевая делать запасы.
Нутрициологи подтверждают, что глюкоза крайне необходима для нормальной мозговой деятельности. И мозг настолько зависим от глюкозы, что научился превращать в нее другие сахара при крайней необходимости. Например, в глюкозу преобразуются:
Многие диетологи советуют употреблять меньше углеводов. Есть много популярных диет с низкоуглеводным рационом. Однако значительно сокращать количество углеводов, а тем более полностью их исключать, не следует. Ведь именно они дают необходимую глюкозу. Если ее не хватает, мозг становится уязвимым.
Правильные углеводы
Часто люди представляют себе углеводы в виде сахара, белого хлеба, выпечки. Однако далеко не из этих продуктов нужно добывать глюкозу для мозга. Около 88% от дневной нормы глюкозы, необходимой мозгу, содержится в 100 граммах зеленого лука, 76% — в турнепсе, 56% — в репе, 52% — в кураге, 48% — в киви, 40% — в винограде, 31% — в свекле. Еще полезны в этом плане изюм, финики, мед, кленовый сироп.
В сладостях, выпечке, наоборот, больше других сахаров. Для мозга же предпочтительнее натуральная глюкоза.
Сколько глюкозы нужно мозгу в день?
Для здоровой и активной работы мозга взрослого человека необходимо в среднем 62 г глюкозы в сутки. В зависимости от индивидуальных особенностей показатель меняется. Такое количество глюкозы — это меньше 250 ккал в день. Например, дневную норму можно получить, съев три столовых ложки меда. А если пытаться получить такое количество глюкозы из шоколадного печенья, например, придется съесть около 7 кг!
Высокий и низкий сахар
Необходимо следить не только за количеством глюкозы, но и за общим количеством потребляемого сахара. При низком уровне сахара снижается мозговая активность, при высоком — увеличивается риск развития деменции, даже при нормальном уровне глюкозы. И даже если уровень сахара будет удовлетворительным для тела, то это может быть плохо для мозга. Чтобы мозг был в порядке необходимо ограничить потребление сахара, а также заменить вредные сахара полезными.
Для мозга вредны продукты, быстро повышающие уровень сахара и содержащие мало растительной клетчатки. К ним можно отнести:
Стабильный уровень сахара обеспечат такие продукты:
В этих продуктах содержатся сложные углеводы, богатые клетчаткой, которые переварить труднее, в связи с чем сахар медленнее поступает в кровь. А клетчатка не только помогает регулировать уровень сахара в крови, но и положительно влияет на работу пищеварительного тракта и иммунной системы.
Если вы будете следовать этим рекомендациям по питанию, то вы сможете сделать мозг счастливым. Кроме того, чтобы мозг активно развивался и становился продуктивнее, его нужно постоянно тренировать. У Викиум есть много интересных и эффективных тренажеров, которые обеспечат полезную для мозга нагрузку. С их помощью вы сможете улучшить память, внимание, концентрацию и другие когнитивные функции.
Прожорливый мозг
Чтобы голова была светлой, а чистый разум воссиял, клеткам мозга пришлось освоить разные профессии, разделив функции уже на этапе утилизации источников энергии
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Мозг — признанный лидер по потреблению глюкозы среди внутренних органов. И это невзирая на свой достаточно скромный вес. Примерно четверть ежедневно поступающей в организм глюкозы используется мозгом. Каким образом нейроны мозга способны потреблять такой большой объем энергии? Является ли такая расточительность для организма эволюционно устаревшим механизмом? А может, природа давно уже подчинила энергетическую зависимость мозга, поставив ее под особый контроль? И как в итоге в клетках мозга протекают процессы энергетических превращений?
«Био/мол/текст»-2016
Эта работа заняла первое место в номинации «Своя работа» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Спонсор номинации — Future Biotech, проект, объединяющий профессионалов и энтузиастов в области биологии и биотехнологий.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Распределение «богатства»
Общеизвестно, что для нормального функционирования всех органов нашего тела необходима энергия. Бόльшую часть энергии при обычном рационе человек получает путем превращения поступающих в организм углеводов в глюкозу и разложения последней до углекислого газа и воды, что сопровождается запасанием необходимой для нас энергии в виде аденозинтрифосфатов (АТФ) или других макроэнергетических соединений.
Каким же образом осуществляется распределение полученного организмом «богатства» в виде источников энергии — согласно законам социализма (равное количество для каждого) или капитализма? Оказалось, что даже в условиях нашего организма запасы энергии расходуются среди всех органов неравномерно. И здесь это распределение скорее напоминает разделение «по заслугам». Обычно мозг использует до 50% всей глюкозы, поступающей из печени в кровь, что соответствует примерно 100 граммам глюкозы в день. Не так уж мало для мозга, вес которого равен приблизительно двум процентам от массы всего тела. Установление ведущей роли мозга в потреблении энергетических запасов легло в основу теории «эгоистичного мозга» («selfish brain» theory) [1].
Такое интенсивное расходование энергии мозгом обусловлено, с одной стороны, большими затратами общей энергии клеток на генерацию трансмембранных ионных градиентов [2] и нервных импульсов, а с другой — на ведение «домашнего хозяйства»: процесса, обеспечивающего целостность и нормальное функционирование клеток мозга. Соотношение между этими двумя процессами оценивается как 2:1 [3]. Самое активное участие в энергозависимых процессах мозга принимают две группы клеток — нейроны и астроциты.
Роли предопределены
Нейроны — это высокоспециализированные клетки, способные генерировать и проводить электрические импульсы. Это — клетки-специалисты, так как функция каждого нейрона строго определена. В течение долгого времени происходит так называемый процесс обучения нейрона выполняемой им функции. Средний человеческий мозг содержит около 100 миллиардов обученных нейронов, и в среднем каждый нейрон соединяется с 1000 других нейронов. Это приводит к образованию обширных и сложных нейронных сетей, которые служат основой для обработки и передачи мозгом информации. Ввиду сложных интегративных взаимодействий каждого нейрона замена этих клеток в нейронных сетях с сохранением целостности выполняемой ими функции почти (если не совсем) невозможна.
Астроциты — это специализированные глиальные клетки, чья функция заключается главным образом в обеспечении нейронов энергетическими ресурсами и в борьбе с активными формами кислорода (АФК) и азота [4]. При этом количество астроцитов в мозге в несколько раз превышает количество нейронов, и в результате получается, что каждый нейрон включен в целый ансамбль астроцитарных клеток.
Довольно разные функции нейронов и астроцитов определяют и разные пути использования энергетических ресурсов этими клетками. Глюкозо-6-фосфат, образующийся из глюкозы, нейронами по большей части направляется в цепь метаболических превращений пентозофосфатного пути (ПФП), а в астроцитах вовлекается в цепь гликолитических реакций [5]. И это принципиальное различие нейронов и астроцитов. Дело в том, что в пентозофосфатном пути образуются предшественники для синтеза нуклеотидов ДНК и РНК [6], а также восстановительные эквиваленты, необходимые нейрону для регенерации белка антиоксидантной защиты мозга — глутатиона. В ходе же гликолиза образуется большое количество энергии, которая используется в разных биосинтетических процессах как «универсальная валюта». Подобная свобода для возможных метаболических реакций в астроцитах и относительная консервативность путей в нейронах связаны с функциональным состоянием клеток. Нейроны генерируют потенциалы действия, проводят возбуждение, интегрируют информацию с разных рецепторов. Это довольно сложно устроенные клетки. И как любые клетки нашего мозга, они подвержены нарушениям в структуре ДНК и влиянию процессов окисления. Вновь напомним, что каждый нейрон оказывается еще и незаменимым. Вот и приходится нейронам всячески продлевать себе «молодость», то есть поддерживать себя в функционально активном состоянии. ПФП в этом смысле — путь, который обеспечивает возможность репарации поврежденных участков ДНК и функционирования в нейронах механизма борьбы с активными формами кислорода.
Задача астроцитов — это создание условий для нормальной активности нейронов (рис. 1). Ради этого астроциты готовы и энергией нейроны обеспечить в большом количестве, и защиту от окислительного стресса организовать. Единого пути для решения поставленных задач пока не сложилось. Поэтому приходится астроцитам сжигать всю глюкозу в гликолитической «печи», а уже потом использовать запасенную энергию для оплаты разных метаболических активностей. Такая последовательность реакций, например, обеспечивает синтез в астроцитах широкого спектра ферментов антиоксидантной защиты, включая оксидоредуктазу, глутаматцистеинлигазу, глутатионпероксидазу, глутатионредуктазу, глутатионтрансферазу, а также глутатион и витамин Е. Еще один важный исход протекания гликолиза в астроцитах — образование из глюкозы молочной кислоты (лактата), которая способна перемещаться во внеклеточное пространство. Что же в этом особенного? Дело в том, что лактат, оказавшись в нейронах, может сначала восстанавливаться до пирувата, а затем через цепь реакций цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) и при помощи митохондриальной цепи образовывать целый «фейерверк» молекул АТФ. Благодаря такой сложно устроенной машинерии метаболических превращений, в итоге в нейронах образуется 38 молекул АТФ — против двух молекул АТФ, которые в ходе гликолиза образуются в астроцитах. Получается своеобразный аттракцион энергетической щедрости со стороны астроцитов. Строго говоря, астроциты и не нуждаются в таком количестве энергии, которую отдают нейронам. А вот нейронам такое энергетическое обеспечение оказывается крайне необходимым, потому как генерация импульсной активности и тонкая регуляция рецепторов и ионных каналов в мембране являются «дорогими» процессами и требуют высоких энергетических затрат.
Строгий контроль
Для точной настройки скорости гликолиза (высокой в астроцитах и относительно низкой — в нейронах) во всех клетках мозга работает регуляторный фермент 6-фосфофрукто-2-киназа/фруктозо-2,6-бисфосфатаза (PFKFB) [7]. Высокий уровень ферментативной активности PFKFB в астроцитах способствует высокой скорости в них гликолитических реакций. Однако что произойдет, если нейроны снизят скорость основного ПФП и, подобно астроцитам, наладят процессы гликолиза? Экспериментально показано: за этим последует катастрофа — гибель нейронов. Дело в том, что такое усиление гликолиза в нейронах ведет к сокращению образования фермента антиоксидантной системы — глутатиона (между прочим, единственного пептидного вещества, образующегося непосредственно в нейронах и спасающего их от окислительного стресса), усилению окислительного стресса и наконец к апоптотической гибели клетки. Таким образом, разделение энергетических путей оказывается процессом, строго приспособленным к повышению выхода энергии мозгом и одновременно очень консервативным с точки зрения возможности реализации в разных типах клеток.
Опасный «голод» мозга
Согласно наиболее популярной сейчас точке зрения, именно в изменении энергетического состояния мозга лежит причина (по крайней мере, одна из главных причин) судорожных состояний и гибели клеток в структурах мозга [8]. В результате снижения энергообеспечения клеток мозга из-за травм, ишемии или опухоли под ударом оказываются в первую очередь системы регуляции тормозных процессов в нервной ткани. Как ни странно, именно тормозные процессы требуют от нейронов мобилизации энергетических затрат. Недостаток энергии приводит к неспособности клеток затормозить возбуждение и к постепенному распространению возбуждающей волны во все области мозга. Неконтролируемая постоянная активация клеток вызывает еще большее истощение их энергетических запасов и приводит к окислительному стрессу. В результате падения активности антиоксидантной защиты ниже критического уровня происходят необратимые изменения в клетках. Формируется замкнутая цепь губительных событий: судорожная активность вследствие развившегося дефицита энергии в одних структурах мозга вызывает новые эпизоды приступов. И получается, что, однажды начавшись, судороги постоянно порождают новые судороги.
В исследованиях механизмов развития эпилептической активности было установлено, что судорожные приступы развиваются в первую очередь при наследственных заболеваниях, нарушающих нормальный метаболизм энергии в мозге [9]. Причем резкое снижение главного источника энергии — глюкозы — даже у людей, не страдающих эпилепсией, приводит к тяжелым судорожным припадкам [10]. Аналогичный эффект наблюдается у людей, страдающих эпилепсией, после сна, когда концентрация глюкозы в крови резко падает из-за длительного перерыва в поступлении пищи, то есть примерно восьмичасового голода [11].
Разделяй и «процветай»
Экономистами со времен А. Смита и А. Вебера было подмечено, что прогресс в развитии производительной силы от труда, искусства, умения или сообразительности — следствие разделения труда. Разделение труда в этом смысле является важнейшим и непременным условием прогрессивного развития экономики любого государства, любого общества. Этот принцип разделения «трудовых» обязанностей в полной мере можно отнести и к работе сложных биологических систем.
Эволюционно так сложилось, что принцип разделения функций клеток позволил «прокачать» каждую отдельную способность организма. Увеличивающаяся сложность и специализация функций в конце концов привели к потребности в их координировании и, как следствие, увеличению нагрузки на мозг. В результате нейроны полностью отказались от ведения «домашнего хозяйства» и увеличили объем полезной работы. А так как без домашней жизни и надежного тыла работать хорошо и долго не получается, постоянные хлопоты о состоянии нейронов перешли к астроцитам. Закрепление функций клеток произошло уже на уровне источников энергии. Отсутствие конкуренции за источники питания позволило астроцитам и нейронам сконцентрироваться на выполняемых ими функциях. В итоге получилось так здорово, что энергетических запасов стало хватать не только на координацию функций тела, обеспечивающих выживание, но и на «халтурку» в виде сознательной деятельности, сильно продвинувшей животных в эффективности их труда.