Сахарная лихорадка: ученые открыли ключевую роль глюкозы в деятельности мозга

Человеческий мозг любит сладкое, ежедневно сжигая огромное количество энергии сахара или глюкозы в организме. Теперь исследователи из Института Гладстона и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) пролили свет на то, как именно нейроны — клетки, которые посылают электрические сигналы через мозг — потребляют и метаболизируют глюкозу, а также как эти клетки адаптируются к нехватке глюкозы.


Ранее ученые подозревали, что большая часть глюкозы, используемой мозгом, метаболизируется другими клетками мозга, называемыми глией, которые поддерживают активность нейронов.


— Кен Накамура, доктор медицинских наук, научный сотрудник Gladstone.

Прошлые исследования установили, что поглощение мозгом глюкозы снижается на ранних стадиях нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Новые результаты могут привести к открытию новых терапевтических подходов к этим заболеваниям и способствовать лучшему пониманию того, как сохранить мозг здоровым по мере его старения.

Простой сахар

Многие продукты, которые мы едим, расщепляются на глюкозу, которая хранится в печени и мышцах, перемещается по всему телу и метаболизируется клетками, чтобы обеспечить химические реакции, поддерживающие нашу жизнь.

Ученые давно спорят, что происходит с глюкозой в мозге, и многие предполагают, что сами нейроны не усваивают сахар. Вместо этого они предположили, что глиальные клетки потребляют большую часть глюкозы, а затем косвенно подпитывают нейроны, передавая им продукт метаболизма глюкозы, называемый лактатом. Однако доказательств в поддержку этой теории было мало — отчасти из-за того, как трудно ученым создавать в лаборатории культуры нейронов, которые также не содержат глиальных клеток.

Группа Кена Накамуры решила эту проблему, используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS-клетки) для создания чистых человеческих нейронов. Технология клеток IPS позволяет ученым преобразовывать взрослые клетки, взятые из образцов крови или кожи, в клетки любого типа в организме.

Затем исследователи смешали нейроны с меченой формой глюкозы, которую они могли отслеживать, даже когда она расщеплялась. Этот эксперимент показал, что сами нейроны способны поглощать глюкозу и перерабатывать ее в более мелкие метаболиты.

Чтобы точно определить, как нейроны используют продукты метаболизма глюкозы, команда удалила из клеток два ключевых белка с помощью редактирования гена CRISPR. Один из белков позволяет нейронам импортировать глюкозу, а другой необходим для гликолиза — основного пути, посредством которого клетки обычно метаболизируют глюкозу. Удаление любого из этих белков остановило расщепление глюкозы в изолированных нейронах человека.


— Кен Накамура.

Подпитка обучения и памяти

Затем группа Накамуры обратилась к мышам, чтобы изучить важность нейронального метаболизма глюкозы у живых животных. Они спроектировали нейроны животных так, чтобы им не хватало белков, необходимых для импорта глюкозы и гликолиза. В результате у мышей с возрастом развились серьезные проблемы с обучением и памятью.

Это подтверждает, что нейроны способны не только метаболизировать глюкозу, но и полагаться на гликолиз для нормального функционирования.

Мириам М. Шомейл, доктор философии, доцент Калифорнийского университета в Сан-Франциско и соавтор новой работы, занимается разработкой специализированных подходов к нейровизуализации, основанных на новой технологии, называемой гиперполяризованным углеродом-13, которая выявляет уровни определенных молекулярных продуктов. Визуализация ее группы показала, как метаболизм мозга мышей изменился, когда гликолиз был заблокирован в нейронах.


— Мириам М. Шомейл.

Результаты визуализации помогли доказать, что нейроны метаболизируют глюкозу посредством гликолиза. Они также продемонстрировали потенциал метода визуализации Шомейл для изучения изменений метаболизма глюкозы у людей с такими заболеваниями, как болезни Альцгеймера и Паркинсона.

Наконец, Накамура и его сотрудники исследовали, как адаптируются нейроны, когда они не могут получать энергию за счет гликолиза, как это может иметь место при некоторых заболеваниях головного мозга.

Оказалось, что нейроны используют другие источники энергии, такие как родственная молекула сахара галактоза. Исследователи обнаружили, что галактоза не является таким эффективным источником энергии, как глюкоза, и что она не может полностью компенсировать потерю метаболизма глюкозы.

Исследования, которые мы провели, подготовили почву для лучшего понимания того, как меняется метаболизм глюкозы и что способствует заболеванию
— Накамура.

Лаборатория Накамуры планирует в сотрудничестве с командой Шомейл исследования того, как метаболизм глюкозы в нейронах изменяется при нейродегенеративных заболеваниях, и как энергетическая терапия может воздействовать на мозг для улучшения функции нейронов.