Когда миелин становится энергией — марафон в мозгу

Изоляция вашего мозга может стать источником экстренной энергии во время марафона
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Metabolism, предполагает, что интенсивные упражнения на выносливость, такие как бег в марафоне, могут временно снижать содержание миелина в мозге. С помощью современных технологий магнитно-резонансной томографии (МРТ) исследователи обнаружили, что миелин — это жироподобное вещество, которое изолирует нервные волокна и поддерживает работу мозга — значительно уменьшался сразу после марафона, но возвращался к нормальным уровням в течение двух месяцев. Эти выводы указывают на ранее не распознанную форму нейропластичности, когда миелин может служить энергетическим резервом в условиях экстремального метаболизма.
Стимулом для исследования послужила растущая база данных, показывающая, что миелин, составляющий белое вещество в мозге, не только важен для передачи нервных импульсов, но и может играть роль в метаболизме мозга. Миелин в основном состоит из липидов, и недавние исследования на животных показали, что в условиях нехватки энергии организм может использовать эти богатые липидами структуры для поддержания работы мозга. Исследователи хотели протестировать, может ли это происходить и у людей, испытывающих интенсивные физические нагрузки, таких как марафонцы, которые часто испытывают значительное истощение основных источников энергии во время состязания.
"Я бегун и изучаю биологию миелина уже три десятилетия. В поисках рамок для исследования идеи о том, что миелин мозга является источником энергии, я рассмотрел метаболический стресс марафонского бега как потенциальный способ проверить эту гипотезу," - объяснил автор исследования Карлос Матуте, профессор Университета Страны Басков и CIBERNED-Институт Карлоса III.
Чтобы проверить эту возможность, исследовательская группа набрала 10 опытных марафонцев в возрасте от 45 до 73 лет. Эти добровольцы, которые были в добром здравии и не получали никакой финансовой компенсации, участвовали в различных марафонских событиях, включая городские и горные гонки. Каждый бегун прошел серию МРТ-снимков: один раз в течение 48 часов до забега, снова через 24-48 часов после гонки, а для подгруппы участников — через две недели и два месяца после окончания марафона.
Исследователи использовали сложный метод визуализации, называемый многокомпонентной релаксационной МРТ, который позволяет создавать карты доли миелиновой воды в мозге (MWF). Этот показатель считается надежным, хотя и косвенным, индикатором того, насколько много миелина присутствует в различных областях мозга. Техника фиксирует долю молекул воды, попадающих между слоями миелиновых оболочек, что отражает наличие и целостность миелина.
Первоначальные снимки, сделанные до гонки, показали устойчивые паттерны MWF у всех участников, с нормальной индивидуальной вариативностью. Однако после гонки данные МРТ показали значительное снижение MWF в нескольких областях белого вещества мозга, особенно в зонах, связанных с моторной координацией, обработкой сенсорной информации и регуляцией эмоций. Наиболее пострадавшими регионами стали кортикоспинальный тракт, понтинный перекрест и ножки мозжечка — трактов, вовлеченных в движение и баланс.
В среднем MWF упал на целых 28% в определенных трактов в течение двух дней после завершения марафона. Примечательно, что снижение наблюдалось в обоих полушариях мозга и не произошло равномерно по всем регионам. Изменения были особенно заметны в сильно миелинизированных областях белого вещества, в то время как большинство серого вещества остались неповрежденными, вероятно, из-за более низкого базового содержания миелина и ограниченной чувствительности метода визуализации в этих областях.
Важно отметить, что исследователи исключили несколько альтернативных объяснений для изменений MWF. Обезвоживание могло бы, например, изменить распределение воды в мозге и исказить результаты визуализации, но значительных изменений в объеме мозга или региональном содержании воды не было зарегистрировано. Другие потенциальные шумовые факторы, такие как отек мозга, колебания уровня железа и эффекты ориентации МРТ-сигнала, также были признаны маловероятными с учетом предыдущих исследований и дизайна этого исследования.
Две недели после гонки контрольные снимки показали, что уровни миелина начали восстанавливаться, но еще не вернулись к предсоревновательным уровням. К двум месяцам, однако, значения MWF полностью восстановились во всех ранее пораженных областях мозга. Этот обратимый паттерн свидетельствует о том, что снижение MWF не было признаком долговременного повреждения, а скорее временной адаптацией — о которой авторы говорят как о форме "метаболической пластиcности миелина".
"Основным ограничением было техническое. Я изначально полагал, что будет сложно обнаружить изменения в содержании миелина," - сказал Матуте в интервью PsyPost. "Поэтому было удивительно наблюдать, что уровни миелина могут резко уменьшаться всего за 3-4 часа, типичное время марафона, и затем восстанавливаться в течение нескольких недель. Это открытие подчеркивает ключевую мысль: мозг более динамичен и пластичен, чем считалось ранее. Еще одно неожиданное открытие состояло в том, что эти изменения происходят в широком возрастном диапазоне; бегуны в нашем исследовании находились в возрасте от 45 до 73 лет."
Находки поддерживают "идею о том, что мозг имеет значительный жировой запас — миелин — который потенциально можно использовать для его функционирования," - отметил Матуте. Во время марафона организм быстро истощает свои запасы углеводов и обращается к жиру для получения энергии. Мозг может следовать аналогичной стратегии, мобилизуя жировые запасы, хранящиеся в миелиновой оболочке, чтобы поддерживать свою работу. Исследования на животных показали, что глиальные клетки — клетки поддержки, производящие миелин — могут метаболизировать жирные кислоты через процесс, известный как β-окисление, чтобы генерировать энергию в периоды нехватки глюкозы. Эта метаболическая гибкость может помочь защитить нервные волокна и поддерживать связь внутри мозга в условиях экстремального физического стресса.
Несмотря на то, что наблюдаемое снижение миелина было скромным и временным, последствия значительны. Если липиды миелина могут использоваться в качестве источника экстренной энергии, это может пролить свет на то, как мозг справляется с метаболическими проблемами не только во время упражнений, но и при недостаточном питании или неврологических заболеваниях, связанныx с нарушением энергетического баланса. На самом деле, исследования показали, что целостность миелина пострадает в таких состояниях, как анорексия и нейродегенеративные заболевания, поднимая вопросы о том, участвуют ли аналогичные метаболические механизмы.
В этом исследовании есть некоторые ограничения. Размер выборки был мал — всего 10 участников, а большинство данных последующего наблюдения ограничивались подсистемами этой группы. Исследователи также не могли напрямую измерить миелин на клеточном уровне, поскольку в настоящее время не существует неинвазивных инструментов, которые могли бы сделать это с полной точностью. MWF, хотя и надежен, считается полуколичественной мерой и может быть подвержен влиянию факторов, не связанных с деградацией миелина, таких как незначительные изменения в распределении воды или составе тканей.
Будущие исследования должны подтвердить эти выводы в более крупных и разнообразных популяциях. Авторы также планируют выяснить, воздействует ли временная потеря миелина, наблюдаемая после марафона, на краткосрочные функции мозга, когнитивные функции или настроение. Эти последующие исследования могут помочь определить, переводятся ли изменения в содержании миелина в измеримые различия в том, как мозг функционирует после интенсивной физической активности.
"Следующие шаги включают исследование того, сопутствуют ли изменения в функции мозга и когнитивных способностях наблюдаемым изменениям в миелине," - объяснил Матуте. "В долгосрочной перспективе наша цель — обнаружить клеточные и молекулярные механизмы, которые обеспечивают расход миелина в качестве источника энергии для мозга — и его последующее восстановление. Понимание этих вопросов может помочь в разработке терапий для пациентов с демиелинизирующими заболеваниями, такими как рассеянный склероз, а также в решении проблемы влияния возрастного снижения миелина на функции мозга и когнитивные способности."
Исследование "Обратимое снижение содержания миелина в мозге при марафонском беге" было написано Педро Рамосом-Кабрером, Альберто Кабрера-Зубилетой, Даниэлем Падро, Марио Матуте-Гонсалесом, Альфредо Родригесом-Антигедадом и Карлосом Матуте.