Ученые создали первую карту важнейших структур, называемых митохондриями, по всему мозгу. Это поможет раскрыть возрастные нарушения мозга. Работа опубликована в журнале Nature.
Ученые составили первую карту распределения митохондрий в клетках человеческого мозга
Ученые создали первую карту важнейших энергетических структур — митохондрий, — по всему мозгу. Это поможет раскрыть возрастные нарушения мозга.
В различных областях человеческого мозга (искусственно окрашенных) имеется разная плотность органелл, вырабатывающих энергию, — митохондрий. Чем краснее область на карте, тем выше энергопотребление и больше в клетках митохондрий Alfred Pasieka/Science Photo Library
Митохондрии снабжают клетки мозга энергией, а мозг — это крайне энергозатратный орган, на него приходится пятая часть всей энергии, потребляемой организмом. От того как распределены митохондрии, и как они меняются с возрастом зависит энергоснабжение мозга и его работа.
Результаты показывают, что митохондрии, которые генерируют энергию, питающую клетки, различаются по типу и по концентрации на каждую клетку в разных областях мозга. Например, эволюционно самые старые области мозга имеют более низкую плотность митохондрий, чем более новые области.
Карта, которую авторы исследования называют MitoBrainMap, «и технически впечатляющая, и концептуально новаторская», — говорит Валентин Ридл, нейробиолог из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене, Германия, который не принимал участия в проекте.
От клетки к мозгу
Мозг энергетически затратен, учитывая его массу. На рисунке представлены круговые диаграммы, показывающие относительную массу (слева; % от общей массы тела) и относительные уровни потребления энергии в состоянии покоя (справа; % от общего потребления энергии в состоянии покоя) различных органов человеческого тела. Относительная масса мозга и его энергозатраты в состоянии покоя показаны синим цветом.
Митохондрии мозга — это не просто игроки эпизодических ролей. «Биология мозга, как мы теперь знаем, тесно переплетена с энергетикой мозга», — говорит Мартин Пикард, психобиология из Колумбийского университета в Нью-Йорке и соавтор исследования. А на мозг приходится 20% потребления энергии человеческим телом.
Авторы исследования разделили кусочек замороженного человеческого мозга — от 54-летнего донора, умершего от сердечного приступа, — на 703 крошечных кубика. Каждый кубик имел размеры 3 × 3 × 3 миллиметра.
Команда использовала биохимические и молекулярные методы для определения плотности митохондрий в каждом из 703 образцов. В некоторых образцах исследователи также оценили эффективность митохондрий в производстве энергии.
Чтобы расширить свои выводы за пределы одного мозгового слоя, авторы разработали модель для прогнозирования количества и типов митохондрий во всем мозге. Они ввели в нее данные мозговой визуализации и данные экспериментальных кубиков. Чтобы проверить свою модель, ученые применили ее к другим образцам замороженного среза мозга и обнаружили, что она точно предсказала состав митохондрий образцов.
Путеводитель по мозгу
Результаты модели выявили различия в митохондриальном профиле различных частей мозга. Например, авторы обнаружили, что серое вещество мозга, которое состоит из компактных центральных структур нейронов, имеет более чем на 50% больше митохондрий, чем белое вещество, которое в основном состоит из длинных, несущих сообщения ветвей нейронов. Митохондрии в сером веществе также генерируют энергию более эффективно, чем в белом веществе. Митохондрии в сером веществе коры — морщинистом внешнем слое мозга, который появился позже на эволюционном пути от рептилий к приматам — были особенно эффективны.
Все больше доказательств свидетельствует о том, что митохондрии мозга претерпевают изменения на ранних стадиях некоторых психиатрических заболеваний и возрастных заболеваний мозга, говорит Натали Рошфор, нейробиолог из Эдинбургского университета, Великобритания. Новые данные позволят ученым более подробно изучить митохондриальные изменения в уязвимых областях мозга, говорит она.
Исследователи говорят, что необходимо провести дополнительную работу, чтобы полностью понять митохондриальное разнообразие в мозге и между ними. Команда уже начала более масштабный проект по картированию 9 областей в 500 человеческих мозгах, что позволит ей сравнить митохондрии мозга у людей с неврологическими, психиатрическими и нейродегенеративными расстройствами и без них.