Aprecierea creierului cu bugetul energetic PNAS
Articole similare
La omul adult mediu, creierul reprezintă aproximativ 2% din greutatea corporală. În mod remarcabil, în ciuda dimensiunilor sale relativ mici, creierul reprezintă aproximativ 20% din oxigen și, prin urmare, calorii consumate de organism (1). Această rată ridicată a metabolismului este remarcabil de constantă, în ciuda activității mentale și motorii foarte variate (2).
Activitatea metabolică a creierului este remarcabil de constantă în timp.
În ciuda acestor fapte binecunoscute despre bugetul energetic mare al creierului, nu a fost clar explicată o înțelegere clară a modului în care acesta este repartizat între numeroasele procese funcționale în desfășurare în neuroni și celule gliale. Înțelegerea acestor relații și-a asumat o nouă importanță datorită utilizării în creștere rapidă a tehnicilor moderne de imagistică, cum ar fi tomografia cu emisie de pozitroni (PET) și imagistica prin rezonanță magnetică funcțională (fMRI) pentru a studia funcțiile creierului uman viu atât în sănătate, cât și în boală. Ambele tehnici și derivații acestora [de exemplu, tomografia cu emisie de fotoni unici (SPECT) și diverse tehnici de imagistică optică] folosesc măsurători legate de metabolismul și circulația creierului pentru a trage inferențe despre funcția creierului în ceea ce privește activitatea sa celulară (pentru revizuire, consultați 3).
În acest număr al PNAS, două lucrări ale anchetatorilor de la Universitatea Yale (4, 5) oferă informații importante noi despre relația dintre metabolismul energetic al creierului și activitatea celulară. Aceste informații, atunci când sunt înțelese în contextul altor informații existente, permit noi perspective asupra modului în care folosim atât tehnici de neuroimagistică, cât și tehnici neurofiziologice pentru a testa funcțiile creierului uman. Împreună cu alte lucrări, oferă, de asemenea, un sprijin considerabil conceptualizării instanțierii proceselor funcționale în sine.
Cele două studii raportate în acest număr al PNAS (4, 5) au combinat tehnici de spectroscopie prin rezonanță magnetică (MRS) cu înregistrarea extracelulară a activității neuronale în cortexul cerebral al șobolanului anesteziat. Cu MRS, investigatorii au reușit să evalueze modificările consumului de oxigen din creier, precum și modificările fluxului de glutamat de aminoacid excitator, principalul transmițător excitator al creierului în timpul stimulării somatosenzoriale. Aceste măsurători MRS au fost completate de măsurători ale modificării activității neuronale (adică, frecvența vârfurilor sau rata de tragere a celulelor în acest caz) în timpul stimulării senzoriale somatice. Strategia experimentală a utilizat două niveluri de anestezie (adică profundă și superficială) concepute pentru a atinge două niveluri diferite de activitate de bază cu care schimbările induse de stimul ar putea fi legate.
Din această lucrare reies două observații. În primul rând, schimbarea consumului de oxigen produsă prin stimulare a fost proporțională cu schimbarea fluxului de neurotransmițător excitator sau glutamatergic, care, la rândul său, a fost proporțională cu schimbarea frecvenței vârfurilor. Stabilirea acestor relații a fost importantă pentru a doua fază a acestei lucrări, arătând că valorile maxime ale consumului de oxigen și frecvența vârfurilor atinse în timpul stimulării au fost aproximativ aceleași de la ambele linii de bază (adică ambele niveluri de anestezie). Autorii afirmă că trebuie atins un nivel general de activitate continuă pentru ca o anumită funcție să poată avea loc. Astfel, dacă nivelul inițial al activității creierului este suprimat artificial, așa cum a fost în acest caz prin anestezie, acesta trebuie „restabilit” la nivelul găsit în starea de veghe ca o componentă necesară a activității legate funcțional. Pentru a pune acest al doilea punct într-o perspectivă adecvată, este important să se stabilească câteva posibile reguli de bază despre ceea ce se înțelege prin termenul „linie de bază” sau activitate în curs; ce ar putea reflecta acest lucru în ceea ce privește funcția creierului; și modul în care această activitate de bază se referă la schimbări tranzitorii în activitate care au fost denumite în general „activări”.
Costul activității continue sau de bază
Astfel, în contemplarea semnificației funcționale a costului fix ridicat al funcției creierului (adică de 10 ori mai mare decât cea așteptată numai pe baza greutății sale), activitățile asociate direct cu această activitate neuronală în curs de desfășurare trebuie luate în considerare. Întrebarea care apare atunci este exact despre ce fel de activitate neuronală vorbim. Un posibil pas în direcția răspunsului la această întrebare este mai întâi examinarea a ceea ce se înțelege prin termenul „activări” (adică schimbări tranzitorii în activitatea creierului) utilizat în contextul imagisticii funcționale moderne a creierului cu PET și RMN.
Costul modificărilor tranzitorii în activitate („Activări”)
Semnalul utilizat pentru cartografierea activărilor din creier cu PET sau fMRI se bazează pe modificările locale ale fluxului sanguin. Se știe de mai bine de un secol că activitatea neuronală crescută într-o regiune a creierului este asociată cu o creștere a fluxului sanguin (pentru o revizuire istorică, vezi ref. 16). În mod surprinzător, aceste modificări ale fluxului sanguin sunt însoțite de modificări semnificativ mai mici ale consumului de oxigen (13-15). Ca urmare, conținutul local de oxigen din sânge urmează îndeaproape schimbarea activității creierului, deoarece cantitatea de oxigen furnizată crește mai mult decât cererea. Acest fenomen a avut o mare valoare practică pentru a ne permite să vizualizăm modificările activității creierului cu IRMF (17, 18), deoarece aspectele intensității semnalului MR sunt sensibile la cantitatea de oxigen transportată de hemoglobină (19-21).
În timp ce consumul de oxigen crește mai puțin decât fluxul sanguin, utilizarea glucozei pare să crească proporțional cu modificarea fluxului sanguin (14, 22). Prin urmare, creșterea metabolismului care însoțește activarea creierului este, în parte, o creștere a glicolizei, care acum se crede că are loc în astrocite legate de o creștere tranzitorie a ciclului de glutamat (23, 24). Astfel, activarea creierului se distinge de metabolismul creierului continuu într-o manieră calitativă unică, fluxul sanguin și utilizarea glucozei crescând mai mult decât consumul de oxigen.