Для своего адекватного функционирования мозг требует энергии. Основное питательное вещество для мозга — глюкоза, которая в процессе оксиления до диоксида углерода ( СО2) и воды дает энергию. Этот процесс включает в себя образование аденозин трифосфата ( ATP) из аденозин дифосфата ( ADP). Кроме того, мозг может использовать для получения энергии w-окисление (омега-окисление) жирных кислот.
Глюкоза накапливается в организме в форме полисахарида гликогена. Гликоген в мозге накапливается главным образом в астроцитах и , в дальнейшем, выделяет энергию для нейронов посредством пирувата и лактата. Гликоген включается в процесс энергетического обмена достаточно быстро , что совпадает с синаптической активностью. Глюкоза поступает в клетки с помощью транспортеров , а утилизацию глюкозы происходит в первую очередь в астроцитах и в меньшей степени в нейронах. Некоторые нейротрансмиттеры, например, такие как моноамины, являются гликогенолитиками и выделяют энергию для астроцитов. Метаболизм глюкозы в тканях мозга связан с функциональной активностью нейронов и глии. Данная особенность используется в функциональной нейровизуализации ( РЕТ) и функциональной магнитно — резонасной томографии ( fMRI).
Окисление одной молекулы глюкозы в общем дает 36-38 молекул АТР. Принято считать, что АТР играет центральную роль в клеточном метаболизме, как «энергетическая валюта» клетки, обеспечивающая энергией большинство биохимических реакций клетки. АТP — трифосфонуклеотид, состоящий из азотного основания ( аденин) , пятиуглеродного сахара рибозы и прикрепленной фосфатной группы. Энергия АТР используется для процессов биосинтеза, транспорта молекул, поддержания разности потенциалов между внутренней и внешней поверхностями клеточной мембраны, . В первом случае это необходимо для движения зарядов через мебрану клетки и внутриклеточного транспорта молекул. Биосинтез необходим для образования простых и сложных ( комплексных) молекул , необходимых для реализации функций клеток , а также для накопления такой молекулы как гликоген. Связанная молекула представляет собой 3,5- монофосфат ( циклическая АМР) , который имеет одну фосфатную молекулу и формирует кольцевую структуру , связывая сахар и фосфат молекулы. Они формируются из АТР в результате реакции , которая утилизируется аденилциклазой , как катализатором. Они активируются адреналином и как известно включены через посредника фосфорилазы в активации гликогена. В дальнейшем, циклическая АМР становится посредником во многих клеточных реакциях , включая тех, которые стимулируются гормонами или нейротрансмиттерами.
Химические реакции тела облегчаются энзимами , причем одни активируют себясами посредством ко — энзимов , которые перемещают ( трансфер) атомы или группы атомов из одной молекулы в другие. Количество активных энзимов представляет обычный ингредиент, который обусловливает уровень биохимических реакций в соответствующих субстратов , активируя или подавляя энзимы , регулирующие метаболитическую активность клетки. Один из методов ингибирования ряда метаболических реакций представляет собой обратную связь от конечных метаболитов ( feedback ingibition).
В результате катаболизма глюкозы и гликогена образуется ATP посредством хорошо — известного цикла трикарбоксиловой кислоты ( Krebs). Глюкоза первоначально фосфорилируется гексокиназой до глюкозо — 6 — фосфата. Конвертация происходит с помощью промежуточных этапов гликолиза , до молочной кислоты. Для этого необходимо участие двух молекул ATP ( глюкоза + 2 ADP + 2 фосфата — 2 молочной кислоты + 2 АТР + 2 воды. Молочная кислота конвертируется до ацетил — коэнзима А посредством пировиноградной кислоты и образуется с помощью оксидации триуглекислой кислоты до цитрата и наконец, оксалоацетата , который собственно инкорпорируется с ацетил коэнзимом А до цитрата. Атомы водорода соединяются с кислородом до образования воды и далее генерируются молекулы АТР. Первоначально продукты пищеварения поддвергаются катаболизму и также утилизируются триуглекксиловой кислоты ( цикл ) , что дает 2/3 всей энергии , реализованной в данном цикле.
Связь метаболических и когнитивных сигналов в головном мозге
Остроконечные пульсирующие волны, фиксируемые на осциллограмме при снятии биопотенциалов с гиппокампа, свидетельствующие об «автономном» режиме работы данной структуры мозга, являются предикторами снижения концентрации глюкозы в крови.
Для регуляции адаптивного поведения мозг полагается на непрерывный поток когнитивных процессов и процессов, связанных с памятью, поддержание функционирования которых требует постоянного энергоснабжения. При среднем весе около 1200 граммов у женщин и 1300 граммов у мужчин головной мозг потребляет около 90 граммов (или порядка 340 килокалорий) глюкозы в день, что составляет около половины суточной потребности организма в глюкозе [1, 2]. Тесная интеграция метаболических и когнитивных сигналов может способствовать согласованию энергоснабжения мозговой ткани с ее энергетическими потребностями за счет оптимизации пищевого поведения и ограничения расхода энергии. До сих пор синхронизация обеспечения тканей глюкозой с активностью мозга считалась функцией структуры, называемой гипоталамус, расположенной в основании мозга. В своей статье в «Nature» Тингли с соавт. [3] приводят доказательства роли другой области мозга крыс, называемой гиппокампом (считается, что в первую очередь он ответственен за процессы памяти и ориентации в пространстве), в поддержании этого баланса (рис. 1).
Читайте также: Какая ткань лучше для летних брюк
Гиппокамп получает множество типов сенсорной и метаболической информации, а проекции нейронов гиппокампа распространяются на различные части мозга, в том числе и на гипоталамус. Таким образом, гиппокамп действительно может являться центром интеграции метаболических сигналов и когнитивных процессов [3]. Чтобы изучить эту возможность, Тингли с коллегами зарегистрировали паттерны колебаний на осциллограмме, называемые остроконечными пульсирующими волнами (ОПВ), отражающие изменения электрических потенциалов на клеточных мембранах нейронных ансамблей в гиппокампе крыс. Авторам удалось это осуществить благодаря применению датчика для непрерывного определения уровня глюкозы в интерстициальной жидкости; устройство было имплантировано под кожу спины животным.
ОПВ состоят из острых волн, исходящих от нейронов в гиппокампальной области CA3 (один из слоев собственно гиппокампа в гиппокамповой формации — прим. перев.), которые приводят к быстрым, но локализованным колебаниям на осциллограмме, похожим на рябь, в CA1, а также связанных с ней областях. Важно отметить, что ОПВ связаны с синхронными всплесками возбуждения нейронов и представляют собой отличительную черту когнитивной, специфически связанной с памятью, обработки полученного опыта [4].
Авторы продемонстрировали, что кластеры ОПВ, записанные в области гиппокампа, называемой дорсальным CA1, сопровождаются четко выраженным падением концентрации глюкозы в крови примерно через 10 минут. Хотя частота возникновения ОПВ, которая в среднем составляла почти 10 в минуту, значительно различалась в течение 24-часового цикла, авторы показывают, что при каждом появлении ОПВ наблюдалось снижение концентрации глюкозы примерно на 0,33 миллиграмма на децилитр. ОПВ с большей амплитудой, но краткие по длительности и сгруппированные в кластеры во времени, свидетельствовали о наиболее выраженном снижении содержания глюкозы.
Согласно данному поразительному наблюдению, можно использовать ОПВ в качестве сигнала сброса фазы для контроля уровня глюкозы в организме животного. Некоторые аспекты этой теории требуют доработок, например, время развития фиксируемого в эксперименте снижения глюкозы. Объяснением задержки в 10 минут между ОПВ и падением уровня глюкозы могут быть такие факторы, как низкая скорость диффузии глюкозы в интерстиций и техническая задержка в работе имплантированного датчика (время на регистрацию концентрации глюкозы). Следовательно, связь гиппокампа и уровня глюкозы в средах организма, выражающаяся в ОПВ, может оказаться еще более тесной.
Другой аспект, который следует учитывать, — это динамика изменения уровня глюкозы после ОПВ-импульса. Эти паттерны колебаний связаны с повышенной активностью возбуждения в гиппокампе, а также в различных зонах коры головного мозга, которые получают сигналы от гиппокампа. Следовательно, учитывая это увеличение возбуждения и повышенные энергетические потребности мозга, можно было бы ожидать, что сигнализация из гиппокампа приведет к увеличению, а не к снижению поступления глюкозы в биологические среды. В стрессовых ситуациях мозг может быстро передать сигнал по нейронам симпатической нервной системы различным областям тела, чтобы увеличить концентрацию глюкозы в периферическом кровотоке. Однако при генерации ОПВ, по-видимому, происходит деактивация тех областей мозга, которые обеспечивают активацию симпатической нервной системы [5]. Не может ли оказаться, что снижение уровня глюкозы после регистрации ОПВ отражает всего лишь повышенное потребление мозгом и «приток» глюкозы из крови к нейронам во время непосредственной генерации ОПВ-импульсов?
Тингли с соавт. своими четкими контрольными экспериментами демонстрируют, что это не так. Исследователи обнаружили, что искусственное подавление активности латеральной перегородки, основного передатчика сигналов от гиппокампа к гипоталамусу, устраняет связь ОПВ-импульсации с колебаниями уровня глюкозы в периферическом кровотоке. Данное открытие и наблюдение того, что искусственно стимулированные ОПВ в гиппокампе также сопровождались снижением уровня глюкозы, подтверждают идею о том, что сигнализация, специфически связанная с возникновением ОПВ и передающаяся через гипоталамус, приводит к снижению концентрации доступной глюкозы в периферическом кровотоке.
Эти результаты приведут к новым гипотезам о том, как регулирование поступления глюкозы в мозг интегрировано с гомеостатической регуляцией обмена глюкозы во всем организме животного. Более того, поскольку связь между ОПВ и содержанием глюкозы оказалась такой же, как при голодании животных, так и при обилии у них доступной пищи, эти результаты проливают новый свет на предположение о том, что мозг контролирует уровень глюкозы в крови в нормальных условиях [6], а не только в условиях стресса и других метаболических нарушений. В будущем следует выяснить, происходят ли падения уровня глюкозы, связанные с импульсами ОПВ, во всем организме животного, или же это отражение перераспределения энергии, являющегося приоритетным для мозга [7]. Также крайне необходимо выявить механизмы, лежащие в основе данных процессов.
Читайте также: Полировальный круг из ткани своими руками
ОПВ не просто сопровождают значительное усиление возбуждения нейронов: во время этой импульсации в упорядоченном во времени виде гиппокампом воспроизводятся те воспоминания и такие паттерны активности, которые были запечатлены в памяти ранее. ОПВ не возникают, когда крыса активно исследует лабиринт. Они возникают во время коротких перерывов между эпизодами передвижения, когда, как нам кажется, крыса «планирует», куда идти дальше. Они также возникают во время эпизодов медленноволнового сна (сна, характеризующегося низкочастотной электрической импульсацией) после исследовательского поведения, когда необходимо надолго запечатлеть в памяти воспоминания об определенном событии. Во время ОПВ-импульсации ранее существующие образцы информации объединяются, и, таким образом, могут влиять на принятие решений [4]. Следовательно, ОПВ можно охарактеризовать как «автономный» режим работы, во время которого гиппокамп и связанные с ним области мозга вовлекаются в «мыслительную» активность.
В этом свете выводы Tingley с соавт. связывают четко определенные периоды мыслительной обработки полученного опыта с непосредственной регуляцией метаболизма. Учитывая, что ОПВ также координируют активность гиппокампа с активностью нейронных ансамблей в тех областях коры, куда поступают сигналы из гиппокампа, они могут служить даже для осуществления автоматического когнитивного контроля метаболизма в периферических тканях организма некоторыми областями мозга. Согласно недавним открытиям, предполагается, что мыслительная деятельность, связанная с памятью, отражением которой являются ОПВ, обычно возникает в те моменты, когда отсутствует острый стресс; также предполагают, что кратковременный дефицит энергии может быть полезен для функционирования такой мыслительной деятельности [8]. В действительности, это может быть первым объяснением того, почему ОПВ в гиппокампе снижают, а не повышают концентрации глюкозы в периферическом кровотоке.
Таким образом, интересные результаты Тингли с соавт. свидетельствуют о существовании ранее неизвестной сигнальной петли в гиппокампе, лежащей в основе когнитивного контроля регуляции уровня глюкозы в крови. Выводы авторов не только открывают новые перспективы для фундаментальных исследований, но и вынуждают пересмотреть различные клинические явления. К числу таковых относятся:
- oдновременное развитие когнитивной дисфункции и ухудшение состояния гиппокампа с нарушением регуляции глюкозы, например, при сахарном диабете второго типа [9];
- связь между нарушениями медленного сна и развитием инсулинорезистентности [10];
- нарушение регуляции пищевого поведения у людей с поражениями гиппокампа и связанными с этим нарушениями памяти [11].
Можно предположить, что причина исчезновения контроля метаболизма при данных патологиях может лежать в одной плоскости с нарушением ОПВ-импульсации в гиппокампе.
Ткань мозга использует всей глюкозы около
Одним из интегральных показателей внутренней среды, отражающим обмен в организме углеводов, белков и жиров, является концентрация в крови глюкозы. Она является не только источником энергии для синтеза жиров и белков, но и субстратом для их синтеза. В печени происходит новообразование углеводов из жирных кислот и аминокислот.
Нормальное функционирование клеток нервной системы, поперечнополосатых и гладких мышц, для которых глюкоза является важнейшим энергосубстратом, возможно при условии, что приток к ним глюкозы обеспечит их энергетические потребности. Это достигается при содержании в литре крови у человека в среднем 1 г (0,8—1,2 г) глюкозы (рис. 12.2). Из схемы на этом рисунке следует, что при нормальном уровне содержания глюкозы в крови происходит образование гликогена в печени и мышцах, синтез жиров, ее потребление клетками мозга, мышцами и другими тканями. В условиях гипергликемии избыточное количество глюкозы удаляется из крови через почки, увеличивается синтез гликогена. При гипогликемии усиливается гликогенолиз под влиянием адреналина и глюкагона.
Сдвиги в концентрации глюкозы в крови от «заданного» (константного) значения воспринимаются глюкорецепторами гипоталамуса, который реализует свои регулирующие влияния на клетки через симпатический и парасимпатические отделы вегетативной нервной системы. Эти влияния обусловливают срочное повышение или снижение выработки инсулина, глюкагона и адреналина эндокринным аппаратом поджелудочной железы и надпочечников. Более медленный эффект гипоталамических влияний осуществляется через гормоны гипофиза. Для поддержания константного уровня концентрации глюкозы существует и более короткая петля обратной связи — влияние глюкозы, циркулирующей в крови, непосредственно на бета-клетки островков Лангерганса поджелудочной железы, вырабатывающих гормон инсулин.
При снижении содержания глюкозы в литре крови до уровня менее 0,5 г, вызванном голоданием, передозировкой инсулина, имеет место недостаточность снабжения энергией клеток мозга. Нарушение их функций проявляется учащением сердцебиения, слабостью и тремором мышц, головокружением, усилением потоотделения, ощущением голода. При дальнейшем снижении концентрации глюкозы в крови указанное состояние, именуемое гипогликемией, может перейти в гипогликемическую кому, характеризующуюся угнетением функций мозга вплоть до потери сознания. Введение в кровь глюкозы, прием сахарозы, инъекция глюкагона предупреждают или ослабляют эти проявления гипогликемии. Кратковременное повышение уровня глюкозы в крови (гипергликемия) не представляет угрозы для здоровья человека.
Читайте также: Ушиб мягких тканей ноги отекают
В крови организма человека обычно содержится около 5 г глюкозы. При среднесуточном потреблении с пищей взрослым человеком, занимающимся физическим трудом, 430 г углеводов в условиях относительного покоя, тканями ежеминутно потребляется около 0,3 г глюкозы. При этом запасов глюкозы в циркулирующей крови достаточно для питания тканей на 3—5 мин и без ее восполнения неминуема гипогликемия. Потребление глюкозы возрастает при физической и психоэмоциональной нагрузках. Так как периодический (несколько раз в день) прием углеводов с пищей не обеспечивает постоянного и равномерного притока глюкозы из кишечника в кровь, в организме существуют механизмы, восполняющие убыль глюкозы из крови в количествах, эквивалентных ее потреблению тканями. При достаточном уровне концентрации глюкозы в крови она частично превращается в запасаемую форму — гликоген. При уровне более 1,8 г в литре крови происходит выведение ее из организма с мочой.
Избыток глюкозы, поступившей из кишечника в кровь воротной вены, поглощается гепатоцитами. При повышении в них концентрации глюкозы активируются ферменты углеводного обмена печени, превращающие глюкозу в гликоген. В ответ на повышение уровня сахара в крови, протекающей через поджелудочную железу, возрастает секреторная активность бета-клеток островков Лангерганса. В кровь выделяется большее количество инсулина — единственного гормона, обладающего резким понижающим концентрацию сахара в крови действием. Под влиянием инсулина повышается проницаемость для глюкозы плазматических мембран клеток мышечной и жировой тканей. Инсулин активирует в печени и мышцах процессы превращения глюкозы в гликоген, улучшает ее поглощение и усвоение скелетными, гладкими и сердечной мышцами. Под влиянием инсулина в клетках жировой ткани из глюкозы синтезируются жиры. Одновременно выделяющийся в больших количествах инсулин тормозит распад гликогена печени и глюконеогенез.
Содержание глюкозы в крови оценивается глюкорецепторами переднего гипоталамуса, а также его полисенсорными нейронами. В ответ на повышение уровня глюкозы в крови выше «заданного значения» (>1,2 г/л) возрастает активность нейронов гипоталамуса, которые посредством влияния парасимпатической нервной системы на поджелудочную железу усиливают секрецию инсулина.
При понижении уровня глюкозы в крови уменьшается ее поглощение гепатоцитами. В поджелудочной железе снижается секреторная активность бета-клеток, уменьшается секреция инсулина. Тормозятся процессы превращения глюкозы в гликоген в печени и мышцах, уменьшается поглощение и усвоение глюкозы скелетными и гладкими мышцами, жировыми клетками. При участии этих механизмов замедляется или предотвращается дальнейшее понижение уровня глюкозы в крови, которое могло бы привести к развитию гипогликемии.
При уменьшении концентрации глюкозы в крови имеет место повышение тонуса симпатической нервной системы. Под ее влиянием усиливается секреция в мозговом веществе надпочечников адреналина и норадреналина. Адреналин, стимулируя распад гликогена в печени и мышцах, вызывает повышение концентрации сахара в крови. Норадреналин обладает слабовыраженной способностью повышать уровень глюкозы в крови.
Под влиянием симпатической нервной системы стимулируется выработка альфа-клетками поджелудочной железы глюкагона, который активирует распад гликогена печени, стимулирует глюконеогенез и приводит к повышению уровня глюкозы в крови.
Понижение в крови концентрации глюкозы, являющейся для организма одним из наиболее важных энергетических субстратов, вызывает развитие стресса. В ответ на снижение уровня сахара крови глюкорецепторные нейроны гипоталамуса через рилизинг-гормоны стимулируют секрецию гипофизом в кровь гормона роста и адренокортикотропного гормона.
Под влиянием гормона роста уменьшается проницаемость клеточных мембран для глюкозы, усиливается глюконеогенез, активируется секреция глюкагона, в результате чего уровень сахара в крови увеличивается.
Секретируемые под действием адренокортикотропного гормона в коре надпочечников глюкокортикоиды активируют ферменты глюконеогенеза и этим способствуют увеличению содержания сахара в крови.
Регуляция обмена веществ и энергии в организме находится под контролем нервной системы и ее высших отделов. Об этом свидетельствуют факты условно-рефлекторного изменения интенсивности метаболизма у спортсменов в предстартовом состоянии, у рабочих перед началом выполнения тяжелой физической работы, у водолазов перед их погружением в воду. В этих случаях увеличивается скорость потребления организмом кислорода, возрастает минутный объем дыхания, минутный объем кровотока, усиливается энергообмен.
Развивающееся при снижении в крови содержания глюкозы, свободных жирных кислот, аминокислот чувство голода обусловливает поведенческую реакцию, направленную на поиск и прием пищи и восполнение в организме питательных веществ.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом