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