Мозг. Такой ли он особенный? - Сюзана Херкулано-Хузел

Энергетический бюджет нейронов является одновременно ограничивающим и критически важным фактором сохранения сознания. Поскольку доставка энергии мозговым нейронам напрямую зависит от мозгового кровотока, постольку уменьшение кровоснабжения мозга всего на 1 % может вызвать значительные нарушения работы мозга, до потемнения в глазах, обморока и потери сознания. Когда мы слишком быстро встаем из положения лежа и рефлексы не успевают поднять артериальное давление до уровня, оптимального для нормального кровоснабжения мозга и доставки кислорода, необходимого для расщепления глюкозы, то первой страдает зрительная кора, что проявляется потемнением в глазах. Точно так же снижение потребления глюкозы или кислорода на 45 % в состоянии общей анестезии вполне укладывается в идею о том, что поддержание сознания сильно зависит от доступной мозгу энергии^[205]. Доступного нейронам энергетического бюджета едва хватает для простого поддержания здоровой деятельности мозга, достаточной для поддержания бодрствующего состояния и сознания: нейроны постоянно упираются в предел доступной им энергии. Нет поэтому никакого чуда в том, что мозг особенно чувствителен к уменьшению кровоснабжения, приводящему к снижению доставки кислорода и глюкозы. По той же причине хронические нарушения метаболизма нейронов вполне ожидаемо будут приводить к поражению мозговых функций и способствовать патологии мозга; такие нарушения метаболизма имеют место при эпилепсии (когда процессы возбуждения нейронов выходят из-под контроля), при болезнях митохондрий (в этих случаях мозг повреждается из-за нарушения переноса энергии), при болезни Альцгеймера (когда нейроны теряют чувствительность к инсулину и перестают поглощать глюкозу, лишая себя источника энергии) и даже при нормальном старении (когда просто нарушается метаболизм нейронов^[206]). Удержание нейронов на пределе их энергетического бюджета имеет свои последствия – и помощь нейронам в поддержании состояния на уровне этого предела перед лицом болезней и старения является новым и многообещающим подходом к лечению заболеваний головного мозга.

Жизнь на краю, на пределе энергетического бюджета, должна иметь следствия и для здоровых нейронов. Если бы более крупные нейроны потребляли больше энергии просто в силу необходимости поддержания поляризации своих больших мембран, но обладали бы столь же ограниченным энергетическим бюджетом, который относительно постоянен для всех представителей данного вида, то такие нейроны по необходимости обладали бы совершенно иным энергетическим бюджетом. Например, в них должны присутствовать механизмы, снижающие частоту разрядов и, таким образом, позволяющие избегать избыточной активности синапсов и снижать частоту, с которой приходится восстанавливать поляризацию мембраны после разряда. В самом деле, исследования показали, что крупные нейроны с большим числом синапсов образуют побочные связи, что позволяет уменьшать нагрузку на имеющиеся синапсы, частые разряды при этом направляются по обходным путям, уменьшая частоту разрядов данного нейрона, что было показано в культурах нейронов^[207]. Изменения кодирования сигналов, приводящие к уменьшению доли крупных нейронов, которые разряжаются с высокой частотой в любой момент времени^[208], могут также быть следствием этого ограничивающего, размерно-инвариантного, фиксированного энергетического бюджета каждого данного нейрона.

Интересно подумать о том, что целый ряд фундаментальных свойств нейронов является прямым следствием ограничений нейронной активности, наложенных на нее ограниченным энергетическим бюджетом. Одно из таких свойств, «синаптический гомеостаз», которым описывают колебания чувствительности индивидуальных синапсов со временем в зависимости от уровня активности нейрона, позволяет избежать неконтролируемого повышения активности возбудительного синапса и избыточного расхода энергии^[209]. Другой механизм называют синаптической пластичностью. Это процесс удаления неиспользуемых или бесполезных синапсов на фоне добавления новых или усиления активности существующих. Это может стать необходимым механизмом, который поддерживает на достаточном уровне общее число возбудительных синапсов и контролирует расход ими драгоценной энергии. В течение жизни в мозге образуются новые синапсы, но непременно за счет отмирания уже существующих. В результате мозг в течение всей жизни остается способным к обучению.

Так почему же человеческий мозг так дорог?

Знание числа нейронов в мозгу разных видов животных впервые предоставило нам возможность ответить на вопрос о том, почему так высока энергетическая цена человеческого мозга: потому что в нем очень много нейронов. Более важно, однако, то, что при средней энергетической стоимости, равной 5,79 × 10^–9 микромолей глюкозы на 1 нейрон в 1 минуту, одинаковой у грызунов и приматов, мозг человека стоит столько, сколько он должен стоить, исходя из анатомии человеческого мозга. Оказалось, что в нем нет ничего особенного или исключительного в плане потребления энергии.

Таблица 9.1. Потребление энергии головным мозгом разных видов млекопитающих

Среднее значение потребления энергии на 1 нейрон, которое, как я установила, является равным у грызунов и приматов, позволяет вычислить метаболическую цену мозга других млекопитающих, исходя из числа нейронов, используя константу 5,79 × 10^–9 микромоль глюкозы в 1 минуту на 1 нейрон, поскольку мозг подчиняется правилу, согласно которому на четыре нейрона мозжечка приходится один нейрон мозговой коры. Эта цена эквивалентна 5,79 микромоль глюкозы в минуту на миллиард нейронов в сутки, или 6 килокалорий на миллиард нейронов в сутки – очень легкое для запоминания целое число и очень удобное для оценки энергетической стоимости мозга у разных видов, как показано в приведенной выше таблице.

У таких видов, как африканский слон, в мозжечке содержится чрезвычайно большое число нейронов, энергетическую стоимость коры и мозжечка надо рассчитывать раздельно, используя среднее потребление глюкозы каждой из этих структур. При том, что мозговая кора человека потребляет приблизительно 50 % энергии, которая расходуется всем мозгом (как у подавляющего большинства других млекопитающих), чрезвычайно большое число нейронов мозжечка у слона, как легко можно предсказать, будет стоить в три раза дороже, чем все нейроны коры. При такой высокой метаболической стоимости надо думать, что мозжечок, на самом деле, очень важен для слона.

Таким образом, мозг человека не является особенным ни по абсолютной энергетической стоимости его нейронов (они потребляют ровно столько энергии, сколько требует число нейронов), ни по относительной стоимости его коры (которая содержит такую же долю мозговых нейронов, что и у других видов, исключая слона). Но почему тогда так высока относительная энергетическая стоимость человеческого мозга, достигающая 25 % всей энергии, потребляемой организмом, хотя у других видов этот показатель не превышает 10 %?