Źródło energii mózgu i przepływ informacji

Zaburzenia neurometaboliczne obserwuje się w wielu chorobach neurologicznych, takich jak depresja, choroba Alzheimera i schizofrenia. Zespół finansowanego przez UE projektu "Quantifying control of brain energy supply by the neuron-glia-vasculature unit" (BRAINENERGYCONTROL) zbadał związki między przepływem informacji w obwodach neuronalnych a przepływem metabolitów pomiędzy neuronami i komórkami glejowymi. Aby osiągnąć zamierzone cele, naukowcy zastosowali połączenie modelowania matematycznego z doświadczeniami obejmującymi obrazowanie in vitro.

Jedno z istotnych odkryć w ramach projektu umożliwiło wykazanie, że skuteczny przesył informacji w synapsie w obecności hałasu wymaga małego prawdopodobieństwa uwalniania w synapsach. Jest to optymalne rozwiązanie zapewniające maksymalizację transmitowanej informacji w stosunku do kosztu metabolicznego. Zjawisko to stanowi wytłumaczenie słabo dotąd poznanego faktu, polegającego na tym, że synapsy są zmienne i często uwalniają neuroprzekaźniki jedynie w 25% przypadków wystąpienia potencjału presynaptycznego.

W podobny sposób doświadczenia na szczurzych komórkach jądra kolankowatego bocznego wykazały, że amplituda prądów postsynaptycznych ma za zadanie maksymalizację ilości przesyłanych informacji w stosunku do postsynaptycznego zużycia energii. Wyniki te sugerują istnienie mechanizmów homeostatycznych, które regulują zarówno zużycie energii, jak i transfer informacji w synapsach.

Wyniki projektu poszerzają naszą wiedzę na temat wykorzystania energii mózgu poprzez badania nad zużyciem adenozynotrójfosforanu (ATP) podczas realizacji zadań mózgu niewymagających sygnalizacji, które mogą zużywać nawet do 50% zmagazynowanego w mózgu ATP. Naukowcy ustalili, że większość z tej niesygnalizacyjnej energii zużywana jest na fluktuacje w cytoszkielecie aktynowym i mikrotubularnym.

Podsumowując, zespół projektu BRAINENERGYCONTROL zaprezentował model interakcji metabolicznych w układzie neuron-komórka glejowa-układ naczyniowy. Model ten stanowi szablon wielkoskalowych symulacji tego układu i po raz pierwszy łączy odpowiednie skale czasowe, w których zachodzi metabolizm energii oraz pobudliwość neuronalna.