Елена Белова - Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове

Для нейронов энергия критически важна. Как известно, мозг — самый энергозатратный орган нашего организма.

Нейроны постоянно активны, и их переговоры друг с другом требуют уймы энергии. Логично предположить, что нервная система постоянно следит, все ли в порядке и каким запасом энергии она сейчас располагает. Вслед за напряженной работой обязательно должен следовать период покоя, чтобы восстановить ресурсы и работоспособность. Как мозг определяет, что пора отдыхать? По тому, сколько потрачено энергии — точнее, молекул АТФ.

АТФ — универсальная энергетическая валюта для всех живых существ. Любой процесс, требующий энергии, можно выразить в числе молекул АТФ, необходимых для его протекания. Например, чтобы выкачать из клетки три иона натрия и закачать внутрь два иона калия, необходимо расщепить одну молекулу АТФ. При этом нейроны непрерывно расходуют АТФ — перекачивают ионы, чтобы восстановить заряд на мембране после каждого нервного импульса; можно сказать, что на этом процессе вырабатывается все электричество в мозге. С другой стороны, любое питательное вещество можно оценить по тому, сколько АТФ из него можно получить: например, одну молекулу глюкозы можно расщепить до углекислого газа и воды, получив таким образом около 36 молекул АТФ (и перекачать с ее помощью 108 ионов натрия и 72 иона калия).

Как следует из названия, АТФ — АденозинТриФосфат — состоит из аденозина и трех фосфатов: они «пришиты» к аденозину один за другим. Связи между фосфатами называют макроэргическими: это означает, что каждая из них позволяет запасти довольно много энергии. Когда такая связь разрывается, энергия высвобождается и может быть использована для нужд клетки.

Можно сказать, что АТФ — это что-то вроде платежной карты с тремя фосфатами на счету. Большинство транзакций внутри клетки «стоят» один фосфат, он отщепляется от АТФ с образованием АденозинДиФосфата — АДФ. Некоторые процессы очень дорогие: они стоят два фосфата, которые отщепляются от АТФ с образованием аденозинмонофосфата — АМФ.

Если АТФ — это энергетическая валюта, то сам аденозин представляет собой что-то вроде пустой платежной карты, которую необходимо пополнить, перед тем как использовать для оплаты нужных клетке транзакций. Когда аденозин накапливается в клетках и межклеточном пространстве, это сигнализирует о том, что организм заметно потратился, и ему нужно восполнить запасы энергии — как следует отдохнуть. Уровень аденозина в нервной системе и есть тот самый индикатор энергии (точнее, ее дефицита), который мы субъективно воспринимаем как заряд бодрости.

Хотя гипнотический эффект аденозина был открыт в середине XX века, ученые до сих пор не до конца разобрались во всех нюансах работы системы, отвечающей за сон, бодрствование и субъективное восприятие бодрости.

На сегодняшний день открыто четыре различных аденозиновых рецептора — A1, A2A, A2B и A3. Их функции отчасти перекрываются. Например, рецепторы A1, A2A влияют на работу сердца, потребление кислорода и кровоток, успокаивая пульс и расслабляя сосуды. Эти же рецепторы есть в различных отделах мозга. Рецепторы A2B и A3 в основном расположены на периферии организма и участвуют в работе иммунитета — вероятно, из-за этого болезни меняют наше самочувствие, и пока иммунитет борется с инфекцией [5], людям лучше всего отсыпаться.

Аденозиновые рецепторы первого типа можно встретить в мозге практически повсеместно, а второй тип рецепторов (A2A) встречается в основном в полосатом теле — этот отдел играет важную роль в принятии решений, планировании действий и обработке эмоций [55] Ученые до сих пор пытаются понять, чем конкретно заняты разные аденозиновые рецепторы в мозге. Одна из недавних гипотез заключается в том, что первый тип рецепторов отвечает за потребность во сне, то есть за то, насколько усталыми мы себя чувствуем (а заодно влияет на продолжительность разных фаз сна — прежде всего на медленноволновой сон и фазу быстрого сна), а второй участвует в переключении режимов: с бодрствования на сон [4]. Забегая вперед, стоит сказать, что кофеин хорошо связывается с обоими типами рецепторов, хотя, по всей видимости, А1-рецепторы вырабатывают толерантность к длительному воздействию кофеина, а А2А, похоже, нет [6]. — Прим. авт. . Оказалось, что внутри полосатого тела оба типа аденозиновых рецепторов тесно соседствуют с рецепторами к дофамину и влияют на то, как эти нейроны проводят сигналы от системы подкрепления. Связываясь со своими рецепторами, аденозин мешает работе других нейромедиаторов. Под действием аденозина пузырьки с нейромедиаторами не высвобождаются в синаптической щели и не могут активировать следующий нейрон. Можно сказать, что аденозиновые рецепторы не дают дофамину активировать нейроны, а дофамин мешает работать аденозиновым рецепторам [6]. Этим и объясняется влияние сна (аденозина) и эмоций (дофамина) друг на друга: если вы хотите спать, вряд ли сможете живо реагировать на происходящее вокруг; с другой стороны, если вас переполняют эмоции, заснуть будет не так-то просто.

В нашей нервной системе есть свой индикатор бодрости — это уровень аденозина. Чем его больше — тем более вялыми мы себя чувствуем.

Кроме того, связываясь с А2А рецепторами в гипоталамусе, аденозин активирует центры сна, которые в свою очередь тормозят активность отделов мозга, отвечающих за состояние бодрствования. Таким образом, аденозин как бы переключает тумблер из одного состояния в другое, в результате чего мы чувствуем неодолимое желание лечь поспать.

Что происходит, когда вы выпиваете кофе? Примерно через 30–60 минут концентрация кофеина в плазме крови достигает пика [3]. Он легко проникает в мозг через гематоэнцефалический барьер и связывается там с аденозиновыми рецепторами. Постепенно содержание кофеина в крови снижается — его разрушает фермент цитохром P450 в клетках печени, однако скорость зависит от множества факторов, а время полувыведения [56] Время, необходимое для того, чтобы содержание кофеина в организме снизилось вдвое. — Прим. авт. варьирует от двух до 12 часов.

Кофеин очень похож на аденозин, но, связываясь с аденозиновыми рецепторами, он не способен их активировать и запустить передачу сигнала. Кофеин просто занимает место, предназначенное для аденозина, и не дает тому проводить сигнал. Получается, что в присутствии кофеина организм перестает видеть и адекватно оценивать уровень аденозина, по которому он проверяет, сколько энергии есть в распоряжении.

Пока в организме плещется достаточное количество кофеина, аденозин не может проявить свои эффекты: баланс смещается от центров сна к центрам бодрствования, человек чувствует бодрость и прилив энергии. Аденозин перестает блокировать выброс других нейромедиаторов, активирующих работу мозга, включая дофамин. Если аденозин притормаживает работу системы подкрепления, то кофеин отжимает тормоз: человек чувствует прилив энергии и приятных эмоций. Люди редко указывают приподнятое настроение среди причин, почему они пьют кофе, тем не менее ученые считают, что именно этим можно объяснить их пристрастие к этому напитку: они получают удовольствие от кофе в самом буквальном смысле этого слова.