Оцінка енергетичного бюджету мозку
У середньої дорослої людини мозок становить близько 2% ваги тіла. Примітно, що, незважаючи на порівняно невеликі розміри, на мозок припадає близько 20% кисню і, отже, калорій, споживаних організмом (1). Цей високий рівень метаболізму надзвичайно постійний, незважаючи на дуже різну розумову та рухову активність (2).
Метаболічна активність мозку з часом надзвичайно постійна.
Незважаючи на ці загальновідомі факти про великий енергетичний бюджет мозку, чітке розуміння того, як він розподіляється серед багатьох поточних функціональних процесів у нейронах та гліальних клітинах, чітко не описано. Розуміння цих взаємозв’язків набуло нового значення завдяки швидко зростаючому використанню сучасних методів візуалізації, таких як позитронно-емісійна томографія (ПЕТ) та функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ) для вивчення функцій живого мозку людини як у стані здоров’я, так і при захворюваннях. Обидві ці техніки та їх похідні [наприклад, однофотонна емісійна томографія (ОФЕКТ) та різні методи оптичної візуалізації] використовують вимірювання, пов’язані з метаболізмом та кровообігом мозку, щоб зробити висновки про роботу мозку з точки зору його клітинної активності (огляд див. . 3).
У цьому випуску PNAS дві статті дослідників з Єльського університету (4, 5) містять важливу нову інформацію про взаємозв'язок між енергетичним метаболізмом мозку та клітинною активністю. Ця інформація, зрозуміла в контексті іншої наявної інформації, дає можливість нового розуміння того, як ми використовуємо як нейровізуалізацію, так і нейрофізіологічні методи для вивчення функцій людського мозку. Разом з іншими роботами він також надає значну підтримку концептуалізації примірників самих функціональних процесів.
Два дослідження, про які повідомлялося, у цьому випуску PNAS (4, 5) поєднували методи магнітно-резонансної спектроскопії (MRS) із позаклітинною реєстрацією нейрональної активності в корі головного мозку анестезованої щури. За допомогою MRS дослідники змогли оцінити зміни споживання мозку киснем, а також зміни потоку збуджуючої амінокислоти глутамату, головного передавача збудження мозку під час соматосенсорної стимуляції. Ці вимірювання MRS доповнювались вимірами зміни активності нейронів (тобто частоти спайків або швидкості випалу клітин у цьому випадку) під час соматичної сенсорної стимуляції. Експериментальна стратегія використовувала два рівні анестезії (тобто глибоку та неглибоку), призначені для досягнення двох різних рівнів базової активності, до яких можуть бути пов’язані зміни, спричинені стимулом.
З цієї роботи випливають два спостереження. По-перше, зміна споживання кисню, спричинене стимуляцією, було пропорційним зміні збуджуючого або глутаматергічного потоку нейромедіаторів, що, в свою чергу, було пропорційним зміні частоти спайків. Встановлення цих взаємозв'язків було важливим для другої фази цієї роботи, показуючи, що максимальні значення споживання кисню та частота стрибків, досягнуті під час стимуляції, були приблизно однаковими для обох вихідних рівнів (тобто, для обох рівнів анестезії). Автори стверджують, що для здійснення певної функції необхідно досягти загального рівня постійної діяльності. Таким чином, якщо базовий рівень активності мозку штучно пригнічується, як це було в даному випадку анестезією, він повинен бути “відновлений” до рівня, що знаходиться в стані неспання, як необхідний компонент функціонально пов’язаної діяльності. Щоб поставити цей другий пункт у належну перспективу, важливо встановити деякі можливі основні правила щодо того, що мається на увазі під терміном «базовий рівень» або поточна діяльність; що це може відображати з точки зору функції мозку; і як ця вихідна діяльність пов’язана з тимчасовими змінами в діяльності, які загалом називають «активаціями».
Вартість постійної або базової діяльності
Таким чином, розглядаючи функціональне значення високої фіксованої вартості функції мозку (тобто в 10 разів перевищує очікувану лише на основі його ваги), слід ретельно розглянути діяльність, безпосередньо пов’язану з цією постійною активністю нейронів. Тоді виникає питання лише про те, про яку нейрональну активність йде мова. Можливим кроком у напрямку відповіді на це питання є спочатку вивчення того, що мається на увазі під терміном «активації» (тобто перехідні зміни в мозковій діяльності), що використовується в контексті сучасної функціональної візуалізації мозку за допомогою ПЕТ та фМРТ.
Вартість тимчасових змін в діяльності ("Активації")
Сигнал, що використовується для відображення активацій у мозку за допомогою ПЕТ або фМРТ, базується на місцевих змінах кровотоку. Вже більше століття відомо, що посилення активності нейронів в області мозку пов'язане зі збільшенням кровотоку (історичний огляд див. Посилання 16). Дивно, але ці зміни в кровотоці супроводжуються значно меншими змінами споживання кисню (13–15). Як результат, місцевий вміст кисню в крові уважно слідкує за зміною мозкової діяльності, оскільки кількість поданого кисню збільшується більше, ніж потреба. Це явище мало велике практичне значення, дозволяючи нам спостерігати за змінами мозкової активності за допомогою фМРТ (17, 18), оскільки аспекти інтенсивності МР-сигналу чутливі до кількості кисню, що переноситься гемоглобіном (19–21).
Тоді як споживання кисню збільшується менше, ніж кровотік, використання глюкози зростає пропорційно зміні кровотоку (14, 22). Отже, збільшення обміну речовин, що супроводжує активацію мозку, частково є збільшенням гліколізу, який, як вважають, зараз відбувається в астроцитах, пов’язаний з тимчасовим збільшенням кругообігу глутамату (23, 24). Таким чином, активація мозку відрізняється від поточного метаболізму мозку унікальним якісним чином, при цьому приплив крові та споживання глюкози зростає більше, ніж споживання кисню.