Agenții metabolici care îmbunătățesc ATP pot îmbunătăți funcționarea cognitivă O revizuire a dovezilor pentru
Lauren Owen
1 Center for Human Psychopharmacology, Swinburne University, Melbourne, Victoria 3122, Australia; E-mail: ua.ude.niws.esiwpuorg@newol
Sandra I. Sunram-Lea
2 Departamentul de Psihologie, Universitatea Fylde College din Lancaster, Lancaster LA1 4YW, Anglia, Marea Britanie
Abstract
1. Metabolismul energetic și deficiențele
2. Agenți metabolici
2.1. Glucoza și oxigenul
Toate celulele vii stochează energie utilă în compusul ATP. Glucoza este unul dintre cele mai abundente zaharuri din dieta noastră, reprezentând 80% din produsele finale ale digestiei glucidelor. În timp ce reprezintă doar 2% din greutatea corporală totală, creierul reprezintă 20-30% din metabolismul bazal total [11], aproximativ 120 g de glucoză fiind oxidate de creier zilnic [12]. Glucoza este fie descompusă pentru a alimenta formarea de ATP (glicoliză), fie stocată ca polimeri lungi ai moleculelor de glucoză, de exemplu, glicogen (glicogeneză). În timpul respirației celulare aerobe (în prezența oxigenului), procesul de glicoliză produce piruvat. Piruvatul este apoi transformat într-o grupare acetil în timpul reacției de tranziție. Gruparea acetil este utilizată în ciclul Krebs (ciclul Krebs sau ciclul acidului tricarboxilic) și faza se încheie cu ATP care este eliberat în lanțul de transport de electroni din mitocondrii. Respirația/fermentarea anaerobă (în absența oxigenului) în celulele musculare umane este conversia enzimatică a piruvatului în lactat cu lactat dehidrogenază (LDH) care produce ATP în calea Embden Meyerhoff [13].
Dincolo de copilărie și în condiții normale, cerințele de energie ale creierului sunt îndeplinite aproape exclusiv prin descompunerea glucozei. În perioadele de hipoglicemie, alte țesuturi vor înceta să mai utilizeze glucoza împreună pentru a crește disponibilitatea glucozei în creier [14]. În comparație cu alte organe din corp, creierul este deosebit de vulnerabil la schimbări mici și tranzitorii în aprovizionarea cu energie. Livrarea întreruptă duce în câteva secunde la inconștiență și în câteva minute poate provoca leziuni ireparabile ale creierului. Astfel, concentrația de glucoză din plasma sanguină este strict reglată pentru a rămâne în intervalul normal de 60 până la 90 mg/100 ml pentru oameni. Când glicemia scade sub 40 mg/100 ml (afecțiune hipoglicemiantă) la om, aceasta poate provoca disconfort, confuzie, comă, convulsii sau chiar moarte [15].
Potrivit lui Love și Webb [20], creierul folosește aproximativ douăzeci la sută din sângele corpului și are nevoie de douăzeci și cinci la sută din aportul de oxigen al corpului pentru a funcționa optim. Măsurătorile asociate ale nivelului de oxigen și glucoză din sângele prelevat la intrarea și ieșirea din creier la oameni arată că aproape tot oxigenul utilizat de creier poate fi explicat de metabolismul oxidativ al glucozei [21]. În timp ce capacitatea de stocare a glucozei în creier este foarte limitată, nu există capacitate de stocare a oxigenului în creier, astfel hipoxia cerebrală (aport redus de oxigen către creier) sau anoxia (lipsa completă de oxigen către creier) duce la efecte aproape instantanee asupra funcției creierului. Deoarece creierul este în mod clar susceptibil la mici modificări ale aprovizionării cu energie, funcția creierului depinde în mare măsură de disponibilitatea și metabolismul resurselor de glucoză și oxigen.
2.1.1. Glucoza și funcția cognitivă
Rolul glucozei în modularea proceselor cognitive este bine stabilit. Efectele benefice ale administrării glucozei au fost observate la diferite populații folosind diferite paradigme experimentale. De exemplu, cercetările anterioare au demonstrat că administrarea glucozei poate îmbunătăți învățarea și memoria la animale și oameni sănătoși tineri și în vârstă (a se vedea de exemplu [22,23,24,25,26,27,28]) și poate îmbunătăți mai multe funcții cognitive în subiecți cu patologii cognitive severe, inclusiv indivizi cu boala Alzheimer [29,30] și sindromul Down [31]. Facilitarea performanței cognitive indusă de creșterea nivelului de glucoză plasmatică a fost raportată și la pacienții cu schizofrenie [32,33]. Mai mult, deficiențele anumitor abilități cognitive au fost recunoscute ca o posibilă complicație a diabetului zaharat non-insulinic și dependent de insulină de lungă durată și există dovezi că un control glicemic îmbunătățit poate ameliora performanța pe arii selective de cunoaștere în aceste populații [34,35] . Deși, beneficiile performanței cognitive au fost găsite într-o serie de sarcini cognitive, dovezi convergente între populații și metodologii sugerează că glucoza are cele mai pronunțate efecte asupra performanței memoriei [19].
2.1.2. Oxigen și funcție cognitivă
Analog cu constatările că deficitul de reglare și utilizare a glucozei, din cauza vârstei, poate contribui la afectarea memoriei la vârstnici; declinul cognitiv legat de vârstă a fost, de asemenea, atribuit livrării afectate de oxigen prin vasculatura cerebrală [52,53]. Odată cu vârsta, aportul de sânge cortical se reduce până la 30% [54,55] și se poate observa o reducere suplimentară a fluxului sanguin regional și total la pacienții cu tulburări de memorie [56,57]. Cercetările timpurii realizate de Edwards și Hart care au examinat efectele suplimentării cu oxigen hiperbaric au demonstrat o funcție cognitivă îmbunătățită (memorie pe termen scurt și organizare vizuală) la pacienții vârstnici în ambulator comparativ cu performanța inițială. Cu toate acestea, acest studiu nu a reușit să se compare cu un grup de control [58]. Acest studiu a arătat îmbunătățiri semnificative ale coeficienților medii de inteligență Wechsler la participanții vârstnici, cărora li s-au administrat 15 sesiuni zilnice de 2 ore de oxigenare hiperbară. Cu toate acestea, alte studii nu au arătat nicio inversare a deficiențelor cognitive legate de vârstă în urma tratamentului cu oxigen normobaric sau hipobaric [59].
Răspunsul la doză pentru administrarea de oxigen la performanță pare să urmeze funcția inversată în formă de U, care a fost observată și pentru a descrie relația dintre nivelul excitării și performanța în anumite sarcini [67], cele mai eficiente doze fiind de unul și trei minute pentru amintirea cuvântului întârziat și 30 s pentru testele de atenție, în timp ce respirația continuă de oxigen pentru mai mult de 10 minute duce la scăderea performanței [61]. Fereastra pentru îmbunătățirea cognitivă prin administrarea de oxigen pare a fi, prin urmare, destul de scurtă, cercetările demonstrând că administrarea de oxigen crește nivelul de oxigen din sânge doar 4-5 min [61]. Pe scurt, aceste constatări indică faptul că mici creșteri ale disponibilității oxigenului substratului metabolic pot îmbunătăți funcția cognitivă.
2.2. Piruvat
Moartea celulară neuronală rezultată din hipoglicemie și hipoxie este rezultatul unei serii de evenimente declanșate de disponibilitatea redusă a energiei, iar normalizarea nivelului de glucoză și oxigen din sânge nu blochează sau inversează acest proces de moarte celulară odată ce a început. În perioadele cu disponibilitate redusă de glucoză și oxigen, creierul folosește alte surse de energie mai puțin eficiente, care pot fi produse aerob. Piruvatul este produsul final al glicolizei, care este transformat în acetil CoA care intră în ciclul Krebs atunci când există suficient oxigen disponibil. Când oxigenul este insuficient, piruvatul se descompune anaerob, creând lactat la oameni și animale. Lactatul a fost considerat recent ca un agent neuroprotector central [68]. Bariera hematoencefalică transportă în mod normal piruvatul la o rată mult mai lentă decât glucoza, dar lucrările anterioare sugerează că intrarea semnificativă a piruvatului în creier poate fi realizată prin creșterea concentrațiilor piruvatului plasmatic [69].