Libra por libra, el cerebro consume mucha más energía que otros órganos y, sorprendentemente, sigue siendo un devorador de combustible incluso cuando sus neuronas no emiten señales llamadas neurotransmisores entre sí. Ahora, los investigadores de Weill Cornell Medicine han descubierto que el proceso de empaquetado de neurotransmisores puede ser responsable de este drenaje de energía.
En su estudio, publicado el 3 de diciembre en Avances de la ciencia, identificaron pequeñas cápsulas llamadas vesículas sinápticas como una fuente importante de consumo de energía en las neuronas inactivas. Las neuronas usan estas vesículas como contenedores para sus moléculas de neurotransmisores, que disparan desde puertos de comunicación llamados terminales sinápticos para enviar señales a otras neuronas. El empaquetado de neurotransmisores en vesículas es un proceso que consume energía química, y los investigadores encontraron que este proceso, en términos de energía, tiene fugas inherentes, tan fugas que continúa consumiendo energía significativa incluso cuando las vesículas están llenas y las terminales sinápticas están inactivas.
“Estos hallazgos nos ayudan a comprender mejor por qué el cerebro humano es tan vulnerable a la interrupción o debilitamiento de su suministro de combustible”, dijo el autor principal, el Dr. Timothy Ryan, profesor de bioquímica y de bioquímica en anestesiología en Weill Cornell Medicine.
La observación de que el cerebro consume una gran cantidad de energía, incluso cuando está relativamente en reposo, se remonta a varias décadas a los estudios sobre el uso de combustible del cerebro en estados comatosos y vegetativos. Esos estudios encontraron que incluso en estos estados profundamente inactivos, el consumo de glucosa del cerebro generalmente cae de lo normal solo a la mitad, lo que aún deja al cerebro como un consumidor de alta energía en relación con otros órganos. Las fuentes de ese drenaje de energía en reposo nunca se han entendido por completo.
El Dr. Ryan y su laboratorio han demostrado en los últimos años que las terminales sinápticas de las neuronas, crecimientos en forma de yemas de las que disparan neurotransmisores, son grandes consumidores de energía cuando están activas y son muy sensibles a cualquier interrupción de su suministro de combustible. En el nuevo estudio, examinaron el uso de combustible en terminales sinápticas cuando enactivo, y encontró que todavía es alto.
Este alto consumo de combustible en reposo, descubrieron, se explica en gran parte por el conjunto de vesículas en las terminales sinápticas. Durante la inactividad sináptica, las vesículas están completamente cargadas con miles de neurotransmisores cada una, y están listas para lanzar estas cargas útiles portadoras de señales a través de las sinapsis a las neuronas asociadas.
¿Por qué una vesícula sináptica consume energía incluso cuando está completamente cargada? Los investigadores descubrieron que existe esencialmente una fuga de energía de la membrana de la vesícula, una “salida de protones”, de modo que una enzima especial de “bomba de protones” en la vesícula tiene que seguir funcionando y consumiendo combustible mientras lo hace, incluso cuando el La vesícula ya está llena de moléculas de neurotransmisores.
Los experimentos apuntaron a proteínas llamadas transportadores como las fuentes probables de esta fuga de protones. Los transportadores normalmente llevan los neurotransmisores a las vesículas, cambiando de forma para transportar el neurotransmisor, pero permitiendo al mismo tiempo que escape un protón, mientras lo hacen. El Dr. Ryan especula que el umbral de energía para este cambio de forma del transportador se estableció bajo por la evolución para permitir una recarga más rápida de neurotransmisores durante la actividad sináptica y, por lo tanto, un pensamiento y una acción más rápidos.
“La desventaja de una capacidad de carga más rápida sería que incluso las fluctuaciones térmicas aleatorias podrían desencadenar el cambio de forma del transportador, causando este drenaje de energía continuo incluso cuando no se está cargando ningún neurotransmisor”, dijo.
Aunque la fuga por vesícula sería minúscula, hay al menos cientos de billones de vesículas sinápticas en el cerebro humano, por lo que la pérdida de energía se sumaría realmente, dijo el Dr. Ryan.
El hallazgo es un avance significativo en la comprensión de la biología básica del cerebro. Además, la vulnerabilidad del cerebro a la interrupción de su suministro de combustible es un problema importante en neurología, y se han observado deficiencias metabólicas en una serie de enfermedades cerebrales comunes, incluidas la enfermedad de Alzheimer y Parkinson. En última instancia, esta línea de investigación podría ayudar a resolver importantes acertijos médicos y sugerir nuevos tratamientos.
“Si tuviéramos una manera de reducir de manera segura este consumo de energía y, por lo tanto, ralentizar el metabolismo cerebral, podría tener un gran impacto clínico”, dijo el Dr. Ryan.
.