Úvod k energetice mozku
Mozek vyžaduje značné množství energie pro svou činnost. Tato energie je zajišťována mitochondriemi, organelami, kterých se v každé buňce nachází stovky. Mitochondrie produkují molekulu chemické energie, adenosintrifosfát (ATP), přičemž tato aktivita závisí na živinách a kyslíku dodávaných cévním systémem. Kognitivní funkce mohou být přechodně posíleny cvičením, které zvyšuje přísun krve do mozku, což naznačuje, že mozek pracuje na hranici své metabolické kapacity i v mládí. S věkem dochází k poklesu mitochondriální funkce, což má určité důsledky. Nová zjištění naznačují, že zlepšení kapacity mitochondrií dodávat buňkám energii může posílit kognitivní funkce v jakémkoli věku.
Regulace spotřeby energie v neuronech
V neuronech je energetická spotřeba striktně omezena, aby se předešlo nadměrné spotřebě paliv, která by mohla být využita jinde pro přežití organismu. Během neuronální aktivity syntetizují synapse přesné množství energie, které je spotřebováno při každém vzruchu, bez podprodukce či nadprodukce ATP. Přestože je známo, jak je mitochondriální metabolismus v aktivovaných neuronech regulován směrem nahoru, aby se zachovala metabolická integrita synapsí, význam a molekulární identita mechanismů zpomalujících mitochondriální metabolismus po vzruchu zůstávaly dosud nejasné.
Vliv metabolické kapacity na mozkové funkce
Zásadní mozkové funkce, jako je vytváření dlouhodobých pamětí (LTM), vyžadují zvýšenou metabolickou aktivitu stimulovaných neuronů k pokrytí energetické poptávky spojené s mozkovou aktivací. Je známo, že narušení neuronálního metabolismu omezuje výkonnost mozku. Nicméně, otázka, zda rozšíření metabolické kapacity neuronů může posílit mozkovou funkci, byla doposud málo prozkoumána. Nedávné studie však ukazují, že formování LTM u octomilek a myší lze zlepšit zvýšením mitochondriálního metabolismu v centrálních paměťových okruzích.
Experimentální zjištění a mechanismy
Výzkumníci dosáhli zvýšení mitochondriálního metabolismu v neuronech centrálních paměťových okruhů potlačením mitochondriálního exportéru Ca2+ (vápníku) s názvem Letm1. Tento postup vedl ke zvýšené retenci Ca2+ v mitochondriální matrix neuronů v důsledku snížení výměny H+/Ca2+ v mitochondriích. Zvýšená hladina mitochondriálního Ca2+ pak nadměrně aktivovala mitochondriální metabolismus. Výsledkem bylo zlepšené ukládání LTM v tréninkových paradigmatech, ve kterých se kontrolní jedinci obou druhů (octomilek a myší) nepodařilo si zapamatovat informace. Tato zjištění odhalují evolučně konzervovaný mechanismus, který řídí mitochondriální metabolismus v neuronech a naznačují jeho zapojení do formování vyšších mozkových funkcí, jako je dlouhodobá paměť.