Az agy energiatérképe
Minden gondolatunkhoz, minden érzésünkhöz és minden emlékünkhöz egy alapvető összetevőre van szükség: energiára. Ezt az energiát a mitokondriumok állítják elő – a sejtjeinkben található apró, bab alakú struktúrák, amelyek akkumulátorokként működnek, a test minden tevékenyéséghez energiát szolgáltatva. Az agyban lévő mitokondriumok különösen fontosak, ennek dacára még mindig nagyon keveset tudunk arról, hogy ezek a mikroszkopikus motorok hogyan oszlanak el az agyban, hogyan változnak, vagy hogyan befolyásolják a mentális egészséget.
A mitokondriumok térképe az agyban
A kutatáshoz a Columbia Egyetem tudósai létrehozták a MitoBrainMap nevű eszközt, az első átfogó térképet a mitokondriumok eloszlásáról az emberi agyban. Ez az eszköz közelebbi betekintést nyújt abba, hogy az agy különböző részein hogyan történik az energiagazdálkodás, és hogy ez mit jelent a hangulatunk, a memóriánk és az általános agyműködésünk szempontjából.
A kutatást Martin Picard, a Robert N. Butler Columbia Aging Center viselkedési orvostudományi docense vezette Michel Thiebaut de Schottennel, a Bordeaux-i Egyetem kutatási igazgatójával együtt. „Felmerül az a gondolat, hogy az energia valóban fontos az egészség szempontjából, de nincs módunk arra, hogy a bioenergetikát az egész emberi agyban vizsgáljuk” – magyarázta Picard. „A MitoBrainMap mérföldkövet jelent az agy egészségének alapjául szolgáló energiatérkép megértésében, ami hatással van a neurodegeneratív és neuropszichiátriai rendellenességek eredetének nyomon követésére és új kezelési megközelítések kidolgozására.”
Az agy részletes energiaprofilja
Az agy mitokondriumainak tanulmányozása nem könnyű. A hagyományos agyi szkennelések, mint például az MRI, totálképet adnak, míg a mikroszkópos vizsgálatok csak az egyes sejtekre koncentrálnak. A kutatóknak módot kellett találniuk arra, hogy ezt a két méretet összekapcsolják. Egy fagyasztott emberi agyból indultak ki. Ebből az agyból kivágtak egy részt, és 703 kis kockára vágták, amelyek élei mindössze 3 milliméteresek voltak. Ez hasonló a hagyományos agyszkennerek felbontásához.
Minden egyes kocka belsejében két dolgot mértek: a mitokondriumok számát és azt, hogy ezek a mitokondriumok milyen hatékonyan képesek a tápanyagokat használható energiává alakítani. Ezekből az eredményekből aztán összeállították az adott agyszelet részletes energiaprofilját. Mivel egy teljes agy mind az 50 000 szeletének elemzése éveket venne igénybe, a csapat számítógépes modellezéssel becsülte meg az agy többi részének energiatérképét. Ez a megközelítés lehetővé tette számukra, hogy létrehozzák az emberi agyban az energia eloszlásának első modelljét.
A mitokondriumok mennyisége agyterületenként változik
Az eredmények meglepőek voltak. Kiderült, hogy a mitokondriumok nem egyenletesen oszlanak el. Sűrűségük és energiatermelő képességük nem csak az agysejtek típusa szerint, hanem agyterületenként is eltérő. „Ezek a különbségek figyelemre méltóak, mivel minden mitokondrium ugyanabból az „anya” mitokondriumkészletből származik.” – mondta Monzel. „A fejlődés során azonban sejttípusfüggő módon specializálódnak, hogy bioenergetikai igényeket szolgáljanak ki, és irányítsák a specifikus sejtfenotípusok elsajátítását.” Az emberi agy újabb részei – azok, amelyek a közelmúltban fejlődtek ki, és segítenek meghatározni, hogy mi tesz minket emberré – több mitokondriummal rendelkeztek. Ezek a mitokondriumok hatékonyabbak is voltak. Ennek van értelme, tekintve, hogy ezek az újabb régiók energiaigényesebbek, mint az agy régebbi részei.
Az agyi energia és a mentális funkciók
A csapat első térképe csak a kezdet. A jövőben ezen eredmények igazolására és bővítésére fognak összpontosítani. „Ha validáljuk a modellünket, akkor a mitokondriumok funkcionális tulajdonságainak becslésére használhatjuk az élő agyban a szokásos MRI-vizsgálatok segítségével, lényegében létrehozva az első nem invazív módszert, amellyel az emberi agy mitokondriális bioenergetikájának biológiájába betekinthetünk” – mondta a tanulmány első szerzője, Eugene Mosharov, a Pszichiátriai Tanszék kutatója. Ez teljesen új lehetőségeket nyitna meg az agyi energia és a mentális funkciók közötti kapcsolat valós idejű tanulmányozására – tanulás, érzelmi élmények vagy akár betegség során.
Az agytérkép pontosítása
A kutatók már dolgoznak a MitoBrainMap második változatán. Most 500 személy agymintáit elemzik, és kilenc különböző régiót vizsgálnak, hogy lássák, hogyan változnak a mitokondriális minták személyenként. Ezek az erőfeszítések javítani fogják a térkép pontosságát, és segítenek megmagyarázni, hogy az energiakülönbségek hogyan kapcsolódhatnak olyan állapotokhoz, mint az Alzheimer-kór vagy a depresszió.
„Az energia a biomedicina hiányzó dimenziója” – mondta Picard. „Ha az egészségre energiaként gondolunk, az arra ösztönöz, hogy más kérdéseket tegyünk fel. Mennyi energiába kerül az agy gyógyítása? Befolyásolja-e a mitokondriumokat az étel, amit megeszünk? Az energiahiány befolyásolja a normális agyműködést, vagy az Alzheimer-kór kialakulását? Ez a MitoBrainMap v1.0 egy lépés az agy energetikájának és az általa lehetővé tett élmények megértése felé.”
Az energia jelentősége az agyban
Azáltal, hogy vizualizálja, hogyan oszlik el az energia az agyban, a MitoBrainMap arra ösztönöz, hogy másképp gondolkodjunk a mentális egészségről és a betegségekről. Azt sugallja, hogy az energia – amit ritkán veszünk figyelembe – ugyanolyan fontos lehet az agyműködés szempontjából, mint az anatómia vagy a kémia. Ez az első változat csak egy kiindulópont. Ahogy a tudósok tovább építik ezt a térképet, az nemcsak az agy, hanem az emberi lét élményének megértésében is hatékony eszközzé válhat. A teljes tanulmányt a Nature folyóiratban tették közzé.