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

Не только не было больших колебаний среднего потребления энергии на один нейрон при сравнении этого показателя у разных видов – средний человеческий нейрон стоит немного больше, чем нейрон макака, и немного меньше, чем нейрон белки, – но при этом отсутствует значимая корреляция между плотностью упаковки нейронов (показатель, обратный размеру нейрона) и средним потреблением энергии на один нейрон в разных мозговых структурах (рис. 9.10). Более крупные нейроны не стоят дороже.

Рис. 9.10. Средняя энергетическая цена одного нейрона головного мозга (в микромолях глюкозы на 1 нейрон в 1 минуту) немного варьирует у мыши, крысы, белки (темные кружки) в сравнении с макаками, бабуинами и людьми (светлые кружки) и, что самое важное, не проявляет заметной корреляции со средней плотностью упаковки нейронов в мозге: более крупные нейроны (с низкой плотностью упаковки) потребляют не больше глюкозы в одну минуту, чем более мелкие (с более высокой плотностью упаковки)

Это был тяжелый удар по теории, согласно которой более крупные нейроны окружены большим числом глиальных клеток, потому что требуют больше энергии: более высокое отношение числа глиальных клеток к числу нейронов, характерное для более крупных нейронов в любой мозговой структуре, у любого вида животного, нельзя соотносить с повышенной потребностью в метаболической поддержке.

Еще более важно, что поскольку средняя энергетическая цена одного нейрона мало варьирует у разных видов, постольку общая энергетическая стоимость каждого отдельного мозга возрастает в простой линейной зависимости от общего числа нейронов в мозге, неважно, у приматов или грызунов, как показано на рис. 9.11, несмотря на разные правила нейронного шкалирования, соотносящие число нейронов и массу мозга этих таксономических групп животных. Чем больше в мозге нейронов, тем больше энергии потребляет этот мозг – по закону прямой пропорциональности.

Эта прямая пропорциональность иллюстрируется тем фактом, что мозг мыши, содержащий 71 миллион нейронов, потребляет 0,37 микромоля глюкозы в одну минуту; мозг макака, имеющий почти в сто раз больше нейронов (6,4 миллиарда), потребляет почти в сто раз больше глюкозы в одну минуту (31,4 микромоля), а мозг человека, который содержит нейронов в 1200 раз больше, чем мозг мыши, потребляет более чем в 1200 раз больше глюкозы, чем мозг мыши, – 497,9 микромоль в 1 минуту. В течение суток 71 миллион нейронов мышиного мозга потребляет 0,11 г глюкозы, или всего 0,4 килокалории в сутки, – для этого мышке надо откусить кусочек печенья, если она его найдет. Мозг макака с его 6,4 миллиарда нейронов потребляет 9,6 г глюкозы в сутки, то есть всего 38 килокалорий, что не очень много. По закону все той же прямой пропорциональности, мозг человека с его 86 миллиардами нейронов потребляет 129 г глюкозы для того, чтобы работать сутки, или 516 килокалорий. Такое количество калорий обеспечивает чашка сахара.

Рис. 9.11. Тотальное потребление энергии целым мозгом (в микромолях глюкозы за 1 минуту) возрастает по закону линейной зависимости у мышей, крыс, белок (темные кружки) и макака, бабуина и человека (светлые кружки). То есть чем больше нейронов содержит головной мозг, тем больше энергии он потребляет по закону прямой пропорциональности

Среднее потребление глюкозы на 1 нейрон в одну минуту в мозговой коре, равное 15,0 × 10–9 микромоль глюкозы, почти в 20 раз больше, чем в мозжечке, потребляющем 0,9 × 10–9 микромоль глюкозы, и эта пропорция между двумя структурами остается практически постоянной у всех шести исследованных видов. Разница может быть обусловлена несопоставимыми размерами нейронов этих структур, поскольку нейроны коры мозга намного крупнее, чем в мозжечке, у всех шести видов. На первый взгляд это может противоречить данным о том, что более крупные нейроны не потребляют больше энергии. Тем не менее следует ожидать, что более крупные корковые нейроны образуют большее число синапсов, чем мелкие нейроны типа крошечных зернистых клеток мозжечка. Так как энергетическая стоимость нейронов, как полагают, зависит от числа глутаматэргических возбудительных синапсов, то надо ожидать, что крупные нейроны с большим числом синапсов будут потреблять больше энергии, чем мелкие нейроны с малым числом синапсов. Однако наши данные указывают на то, что внутри каждой группы нейронов, корковых или мозжечковых, колебания размеров клеток среди разных видов не сопровождаются ни увеличением, ни уменьшением потребления энергии: нейроны одного типа стоят одинаково у разных видов независимо от размеров и характеризуются фиксированным средним энергетическим бюджетом в расчете на один нейрон.

Немного фундаментальных знаний о масштабах потребления энергии другими клетками организма поможет по-другому взглянуть на смысл фиксированного энергетического бюджета нейронов. Хотя интуитивно имеет смысл, что более крупный нейрон должен потреблять больше энергии, с биологической точки зрения это натяжка. В других органах, например в печени, метаболическая активность клеток уменьшается с увеличением размеров тела[200]. Следуя такой логике, можно ожидать, что более крупный нейрон будет потреблять меньше энергии, а не столько же, сколько мелкий, и, уж во всяком случае, не больше. Относительно постоянные значения потребляемой энергии на 1 нейрон у млекопитающих с более низкой плотностью упаковки нейронов (то есть с большими размерами этих клеток) позволяют предположить, что энергетический бюджет одного нейрона, в противоположность энергетическому бюджету других типов клеток, практически достигает своего предела, накладывая, таким образом, ограничение на нейронную активность. Такой сценарий позволяет примирить низкую метаболическую стоимость грамма мозговой ткани млекопитающих с данными сравнительного генетического анализа: гены, отвечающие за клеточный метаболизм, относятся к генам, демонстрирующим наибольшую изменчивость в ходе эволюции человека[201], что позволяет предположить, что поддержание постоянного метаболизма в мозговых нейронах коренится в эволюционных генетических изменениях.

Помимо этого, существуют доказательства того, что энергетический бюджет индивидуальных нейронов ограничен не только млекопитающими, но и по времени внутри каждого индивидуального мозга, учитывая, что он не допускает больших колебаний нейронной активности. Несмотря на то что увеличение частоты нейронных разрядов вызывает прямо пропорциональное увеличение потребления энергии в человеческом мозге[202], это увеличение очень невелико. «Активация» участков человеческого мозга на фоне соматосенсорной стимуляции, проявляющаяся яркими красными участками на магнитно-резонансных томограммах (МРТ), говорит о резком увеличении потребления энергии в заинтересованных участках, но такая симуляция вызывает лишь 5-процентное повышение уровня метаболизма в соматосенсорной коре бодрствующего человека[203], а зрительная стимуляция вызывает в лучшем случае 8–12-процентное увеличение метаболической активности в зрительной коре бодрствующего человека[204]. В типичных случаях «активация мозга», на которую указывают красные участки на МРТ, проявляется не более чем 2–5-процентным усилением метаболизма нейронов. Удивительно, как много мы можем делать за счет столь незначительных колебаний потребления энергии мозговыми нейронами.