Мозг. Такой ли он особенный?

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.