Пища для размышлений. Как нейробиологи раскрыли секрет энергосберегающего режима мозга

Согласно результатам работы, опубликованным в журнале Neuron, исследователи шотландской лаборатории Натали Рошфор обнаружили режим энергосбережения в зрительных системах мышиного мозга.

Авторы открытия заявили, что в условиях отсутствия достаточного количества пищи в течение нескольких недель мыши теряли около 15−20% своего здорового веса, а нейроны в их зрительной коре уменьшали количество АТФ на 29%. Во всех живых организмах, включая человека, АТФ служит непосредственным источником энергии для большинства биохимических и физиологических процессов.

По словам ведущего автора исследования Захида Падамси, энергосберегающий режим мышиного мозга ухудшил у грызунов восприятие деталей окружающего мира, поскольку нейроны менее точно обрабатывали визуальные сигналы.

«Мыши с ограниченным питанием хуже справлялись со сложной зрительной задачей… В режиме низкого энергопотребления вы можете получать изображение мира с низким разрешением», — заявил Падамси.

Ученые предполагают, что недоедание или некоторые формы диеты могут вызывать аналогичную реакцию у человеческого организма.

В поисках еды

Не секрет, что во время недостатка питательных веществ люди также склонны терять внимание и концентрацию на определенных вещах. Ученые предполагают, что этот механизм призван помогать нам быстрее находить пищу.

Вывод ученых из Эдинбургского университета гласит, что мозг человека может видеть одинаково во всех режимах работы. Но интерпретация увиденного будет отличаться в зависимости от количества питательных веществ в организме.

«Голодны вы или нет, фотоны света, которые попадают в вашу сетчатку, одинаковы. Но восприятие вашего мозга совсем другое, потому что у вас есть цель, о которой ваше тело знает и направляет внимание таким образом, чтобы помочь ее удовлетворить», — объясняет нейробиолог из Мичиганского университета Кристиан Берджесс.

В рамках нового исследования ученые из Шотландии постепенно ограничивали рацион мышей, пока животные не потеряли 15% своего веса. Анализ электрических сигналов, которые нейроны используют для связи, показал, что во время рассмотрения изображений черных полос у мышей с недостатком питательных веществ падала скорость передачи этих сигналов.

Несмотря на наличие нескольких защитных механизмов по поддержке высокой скорости сигналов в нейронных связях, нейроны зрительной коры у голодных мышей работали менее активно, что делало зрение грызунов менее точным.

«Каким-то образом система зрения смогла значительно уменьшить использование энергии только с этим относительно тонким изменением способности животного выполнять задачу восприятия», — рассказала нейробиолог из Университета Дьюка Линдси Гликфельд.

Результаты исследования подтверждают, что млекопитающие могут включать энергосберегающий механизм в нейронах зрительной коры. Не исключено, что такой же эффект может вызывать частичную потерю обоняния и замедление работы других областей коры мозга.

Поскольку нейроны функционируют одинаково во всем мозге — вполне вероятно, что энергосберегающий эффект может увеличивать активность восприятия наиболее полезной информации для организма, снижая все остальные.

После получения дозы гормона лептина режим энергосбережения у мышей как будто выключился, и дефект зрительного восприятия информации исчез. Ученые полагают, что наличие лептина в крови может сигнализировать мозгу о достаточном количестве пищи и отсутствии необходимости экономить энергию.

Важным результатом этого открытия также может быть то, что предыдущие исследования нейробиологов рискуют оказаться неточными. Как правило, ограничивают количество пищи для мышей и других животных в рамках экспериментов, чтобы побудить их выполнять необходимые задачи за еду.

Таким образом ученые могли невольно переводить мозг подопытных в режим энергосбережения и получать неточные данные в ходе своих экспериментов.

«Мы должны очень тщательно подумать о том, как мы планируем и интерпретируем эксперименты, если мы хотим задать вопросы о чувствительности восприятия животного или чувствительности нейронов», — заявила Гликфельд.

Ворота сознания

Ранее исследователи также пытались выяснить, как человеческий мозг выделяет более или менее важную информацию, помогая нам ориентироваться в бурной окружающей среде.

Оказывается, в мире нейронных связей могут существовать так называемые «ворота сознания», с помощью которых мы определяем наиболее важные внешние сигналы.

Для доказательства этого в прошлом году нейробиологи из США провели эксперименты с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии. Участники получали пропофол — препарат для введения в состояние общего наркоза.

С помощью преднамеренного отключения сознания и восприятия сенсорной информации тела подопытных, ученые могли отслеживать, что происходило в разных областях мозга человека, когда он «входит» в сознание и «выходит» из него.

Участники исследования также должны были представить, как они играют в теннис, двигаются по местности и сжимают мяч в руке. Оказалось, что во время воображения этих действий активировалась область мозга, которая контролирует движения. Когда подопытный начинал сжимать мяч — многие области мозга становились менее активными, концентрируя внимание именно на этом действии.

С помощью пропофола исследователи смогли выяснить, что «вратами сознания» является передняя кора островковой доли мозга, которая фильтрует внешние сигналы и помогает им достигнуть мозга.

«Сознательный доступ к сенсорной информации, вероятно, осуществляется в участке, промежуточном между первичной сенсорной и трансмодальной ассоциативной корой, но отвечающая за него структура остается неизвестной… Потери поведенческой реакции у здоровых добровольцев под эффектом пропофола вызывает дисфункцию передней островковой коры (AIC) в сочетании с нарушением динамических переходов сетей пассивного режима и зрительного внимания», — указано в исследовании.

Несмотря на эти результаты, для определения функциональной роли островковой доли мозга в человеческом познании и сознании нужны дополнительные исследования.