Революционная карта митохондрий мозга может помочь объяснить снижение когнитивных способностей
Ученые составили первую карту митохондрий головного мозга, что, по их словам, может стать первым важным шагом на пути к разгадке возрастных нарушений мозга.
Митохондрии вырабатывают энергию, питающую клетки мозга, что делает их необходимыми для когнитивных функций. Однако новая карта MitoBrainMap показывает, что эволюционно более старые области мозга содержат меньшую плотность митохондрий.
Мозг потребляет огромное количество энергии — около 20 %, большая часть которой поступает от окислительного фосфорилирования митохондрий. Новое устраняет важнейший пробел в когнитивной нейронауке, помогая объяснить, как активность на клеточном уровне влияет на когнитивную деятельность. Исследователи надеются пролить новый свет на проблему снижения когнитивных способностей, составив карту молекулярного энергетического ландшафта мозга.
«Биология мозга, как мы теперь знаем, глубоко переплетена с энергетикой мозга», — сказал соавтор исследования Мартин Пикард, психобиолог из Колумбийского университета в Нью-Йорке.
Разбираясь в проблеме
Исследователи провели свою работу, используя донорский мозг 54-летней пострадавшей от сердечного приступа. Они нарезали замороженный мозг на 703 кубика, каждый по 3 миллиметра на сторону. Выбранный размер примерно соответствовал разрешению стандартного 3D-сканирования мозга, но работа с таким большим количеством образцов оказалась сложной. Используя молекулярные и биохимические методы, команда определила плотность митохондрий в каждом образце и оценила эффективность производства энергии в определенной их части.
После лабораторной работы исследователи разработали компьютерную модель для прогнозирования типа и плотности митохондрий в мозге. Они обучили модель на части собранных данных, а затем успешно применили ее к дополнительным срезам мозга, получив точные результаты.
Эволюционная энергия
Исследование показало, как распределение митохондрий и производство энергии различаются в разных областях мозга. Серое вещество содержит в 1,5 раза больше митохондрий, чем белое. В то время как в белом веществе расположены длинные отростки нейронов для передачи сигналов, в сером веществе находятся компактные центральные структуры нейронов. Несмотря на меньшее количество митохондрий в целом, митохондрии серого вещества более эффективно вырабатывают энергию. Кора мозга, покрытая складками серого вещества, — одно из самых последних эволюционных достижений, произошедших от рептилий к приматам, — оказалась наиболее энергоэффективной областью.
Исследователи продолжают собирать доказательства, связывающие психиатрические и возрастные заболевания мозга с митохондриальными изменениями. Карта MitoBrainMap будет играть важную роль в изучении и отслеживании этих изменений. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы расширить понимание того, как митохондрии различаются в разных областях мозга и у разных людей.
Команда уже запустила последующий проект по картированию девяти регионов в 500 человеческих мозгах. По их словам, благодаря большей выборке будущие исследования позволят провести критическое сравнение между здоровыми людьми и теми, кто страдает неврологическими, психическими и нейродегенеративными заболеваниями.