Голуби превзошли млекопитающих в эффективности мозга
Грамм мозга голубя потребляет в среднем в 2,5 раза меньше глюкозы, чем мозг млекопитающих сопоставимого размера, и в 3,5 раза меньше в пересчете на один нейрон, выяснили немецкие ученые. Причина столь высокой энергоэффективности птичьих нейронов пока не определена точно, но, скорее всего, дело в гистологических особенностях нервной ткани и температуре головного мозга. Статья опубликована в журнале Current Biology.
Чем больше мозг и количество нейронов в нем, тем более сложное поведение характерно для животного. И дело не только в размере мозга, но и в энергетической стоимости его работы. Известно, что чем больше площадь поверхности теплокровного животного, тем меньше энергии тратит каждый грамм его организма. С головным мозгом ситуация похожая, и львиная доля этих трат приходится на нейроны. И если лошади на обеспечение работы мозга нужно в среднем около полутора процентов от основного обмена, то у крысы эта величина выше в три с половиной раза — соответственно, «стоимость усложнения» ЦНС для маленьких млекопитающих выше. Несмотря на большую разницу в затратах на работу грамма мозга, в пересчете на одну клетку цифры получаются похожими у всех млекопитающих, поскольку плотность нейронов у маленьких животных выше.
Но если сравнивать поведение млекопитающих и птиц, то последние при сопоставимом размере тела и мозга демонстрируют более сложное поведение, о примерах которого мы регулярно рассказываем. У птиц плотность нейронов гораздо выше, чем у млекопитающих (по крайней мере, у попугаев и врановых — умных пернатых, нередко выступающих модельными объектами исследований когнитивных функций). Из этого следует, что у птиц должны быть либо крайне высокие затраты на поддержание работы мозга, либо эта работа должна отнимать мало энергии.
Нейрофизиологи и психологи из Рурского университета Бохума в Германии во главе с Феликсом Штрёкенсом (Felix Strökens) решили разобраться в проблеме и измерить интенсивность аэробного метаболизма головного мозга у голубей. Для этого у четверых бодрствующих и шестерых анестезированных сизых голубей выполняли ПЭТ-МРТ головного мозга после внутривенного введения 18F-фтордезоксиглюкозы. Метод основан на том, что органы захватывают внутривенно вводимое производное глюкозы, и изотоп фтора, входящий в ее состав, претерпевает в клетках бета-распад, что и регистрирует детектор. Таким образом, зная концентрацию глюкозы в крови и количество вводимого препарата, можно рассчитать потребление глюкозы. Чтобы голубь не двигался во время процедуры, ученые фиксировали животное за голову внутри гентри томографа.
При измерении во время бодрствования у голубей была тенденция к более высокому энергопотреблению мозга, чем в покое, хотя разница и не достигла критериев статистической достоверности (27,29 ± 1,57 микромоля на 100 грамм мозга в минуту против 23,15 ± 4,77 при анестезии, p = 0,069). Эта разница была обусловлена в первую очередь падением активности переднего мозга в время анестезии (p = 0,015). У млекопитающих сопоставимого размера (серая крыса) этот параметр составляет в среднем 68 ± 4 микромоль на 100 грамм мозга в минуту. Получив такой результат, авторы решили рассчитать то, сколько глюкозы потребляет один нейрон мозга голубя, воспользовавшись данными предыдущих исследований. Было известно, что вклад нейронов в энергопотребление мозга составляет 70-80%, а плотность нейронов в мозгу голубя составляет 150 тысяч клеток на миллиграмм ткани. Расчет показал, что у голубя один нейрон должен расходовать около 1,86 ± 0,2 фемтомоля глюкозы в минуту, или в 3,6 раза меньше, чем у крыс согласно доступным в научной литературе данным других исследователей.
Штрёкенс с коллегами отмечают, что пока неизвестны механизмы, лежащие в основе обнаруженного. Сопоставление расчетов плотности и количества нейронов показывают, что средний размер нейронов у птиц меньше, хотя это явно касается далеко не всех популяций нейронов. Чем меньше нейрон, тем меньше площадь его плазматической мембраны, меньше площадь поверхности мембран внутри митохондрий и меньше длина отростков. Соответственно, такие клетки требуют меньше энергии на поддержание потенциала покоя и на передачу потенциала действия, да и просто не могут производить реакции окислительного фосфорилирования с такой же интенсивностью, как нейроны больших размеров с большой площадью внутренней мембраны митохондрий.
Возможно также, что у птиц отличаются параметры активации и потенциалов действия нейронов (например, меньше частота активации в ответ на стимулы). Еще один фактор, который может влиять на энергопотребление клеток, связан с температурой мозга. Температурный оптимум Na+/K+-АТФазы (фермента, отвечающего за поддержание потенциала покоя нейронов) лежит выше температуры тела. Следовательно, повышение температуры мозга может вести к снижению энергетической стоимости потенциала покоя. С учетом того, что температура мозга голубя на пару градусов выше, чем у большинства млекопитающих сопоставимого размера, это может вносить заметный вклад в «стоимость» активности ЦНС и увеличивать ее быстродействие.
Повышение энергоэффективности — это вечная эволюционная тенденция. Мы рассказывали и том, как предки современного человека снизили в разы затраты энергии на жевание, а скворцы оптимизировали полет. Но если не хватает энергии даже на обмен веществ в покое, то можно просто взять и лечь в спячку, о которой мы рассказывали в материале «Отморозки».
Сергей Задворьев
Исследование провели на личинках дрозофил
Японские исследователи в экспериментах с дрозофилами установили механизм влияния на нейропластичность фермента убиквитинлигазы, функции которого нарушены при синдроме Ангельмана. Как выяснилось, этот фермент в пресинаптических окончаниях аксонов отвечает за деградацию рецепторов к костному морфогенетическому белку, за счет чего устраняются ненужные синапсы в процессе развития нервной ткани. Отчет о работе опубликован в журнале Science. Синдром Ангельмана представляет собой нарушение развития, которое проявляется умственной отсталостью, двигательными нарушениями, эпилепсией, отсутствием речи и характерной внешностью. Его причиной служат врожденные дефекты фермента убиквитинлигазы Е3А (Ube3a), который присоединяет к белкам убиквитин, влияющий на их судьбу в клетке, в том числе деградацию. При синдроме Ангельмана сниженная активность Ube3a нарушает синаптическую пластичность в процессе нейроразвития, в частности элиминацию ненужных синапсов. Повышенная активность этого фермента, напротив, приводит к неустойчивости сформировавшихся синапсов и, как следствие, к расстройствам аутического спектра. Исследования постсинаптических функций Ube3a показали, что он играет роль в нейропластичности, в частности формировании дендритных шипиков. При этом, по данным иммунохимических и электронно-микроскопических исследований, в коре мозга мыши и человека этот фермент экспрессируется преимущественно пресинаптически. Учитывая высокую эволюционную консервативность Ube3a, сотрудники Токийского университета под руководством Кадзуо Эмото (Kazuo Emoto) использовали для изучения его пресинаптических функций сенсорные нейроны IV класса по ветвлению дендритов (C4da) личинок плодовой мухи дрозофилы. Число дендритов этих нейронов резко сокращается (происходит их прунинг) в первые 24 часа после образования куколки, а на последних стадиях ее развития дендриты разветвляются вновь уже по взрослому типу. Используя флуоресцентные метки различных биомаркеров нейронов, исследователи показали, что в ходе этого процесса ремоделированию подвергаются не только дендриты, но и пресинаптические окончания аксонов. Попеременно отключая разные компоненты участвующих в этих процессах молекулярных комплексов, ученые убедились, что для элиминации синапсов под действием сигнального пути гормонов линьки экдизонов необходима только Ube3a, но не куллин-1 E3-лигаза, участвующая в прунинге дендритов. Дальнейшие эксперименты с применением флуоресцентных меток и РНК-интерференции показали, что Ube3a активно транспортируется из тела нейрона в аксон двигательным белком кинезином со средней скоростью 483,8 нанометра в секунду. Создав мутантов с дефектами в различных участках Ube3a, авторы работы выяснили, что связанные с синдромом Ангельмана мутации D313V, V216G и I213T в среднем домене фермента, содержащем тандемные полярные остатки (TPRs), препятствуют его связи с кинезином и транспорту из тела нейрона в аксон. Как следствие, нарушается элиминация ненужных синапсов. Изменения в N-концевом цинк-связывающем домене AZUL и C-концевом HECT влияли на эти процессы в значительно меньшей степени. Ube3a принимает участие в убиквитинировании многих клеточных белков. Чтобы выяснить, какой из них опосредует элиминацию синапсов, авторы работы вызывали в нейронах избыточную экспрессию разных белков-мишеней Ube3a с целью насытить этот фермент и таким образом заблокировать его действие. Оказалось, что выраженные дефекты элиминации синапсов возникают при избыточной экспрессии тиквеина (Tkv) — пресинаптического рецептора к костному морфогенетическому белку (ВМР); прунинг дендритов при этом не затрагивается. Исследование нормальной экспрессии Tkv с помощью флуоресцентных меток показало, что ее уровень значительно снижается через восемь часов после начала формирования куколки. У мутантов, лишенных Ube3a, этого не происходило. Выключение гена tkv или другого компонента сигнального пути BMP — mad — восстанавливало элиминацию синапсов у таких мутантов, то есть за нее отвечает именно этот сигнальный путь. Это подтвердили, восстановив элиминацию синапсов у мутантов без Ube3a антагонистом BMP LDN193189, а также экспрессией белков Glued-DN или Dad, которые подавляют сигнальную активность Mad. Искусственное повышение пресинаптической экспрессии Ube3a в нейронах C4da вызывало массированную преждевременную элиминацию сформировавшихся синапсов и общее уменьшение синаптической передачи у личинок третьего возраста. Это происходило из-за чрезмерного подавления сигнального пути BMP. Таким образом, дефекты убиквитинлигазы Ube3a, лежащие в основе синдрома Ангельмана, приводят к избыточной активности сигнального пути BMP, вследствие чего не происходит устранение ненужных синапсов в процессе развития нервной системы. Этот сигнальный путь может послужить мишенью для разработки новых методов лечения этого синдрома, а возможно и расстройств аутического спектра, считают авторы работы. В 2020 году американские исследователи сообщили, что им удалось предотвратить развитие синдрома Ангельмана у мышей с мутацией материнской копии гена UBE3A. Для этого они с помощью системы CRISPR/Cas9 инактивировали длинную некодирующую РНК UBE3A-ATS, которая подавляет экспрессию отцовской копии UBE3A.
