Испанские нейробиологи совершили неожиданное открытие, обнаружив, что экстремальные физические нагрузки типа марафонского бега вызывают временное, но значимое снижение содержания миелина.
Однако, как говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Metabolism, эти изменения полностью обратимы: миелиновые оболочки восстанавливаются до исходного уровня в течение двух месяцев после забега.
Это исследование кардинально меняет взгляд на роль миелина, предлагая рассматривать его не только как структурный изолятор, но и как потенциальный энергетический резерв для мозга в условиях острого метаболического стресса, когда исчерпаны основные источники энергии в виде глюкозы и гликогена.
Ранее исследования на грызунах уже намекали на способность олигодендроцитов – глиальных клеток, формирующих миелиновую оболочку в центральной нервной системе – использовать ее липиды как источник энергии при дефиците глюкозы. Также в ранних исследованиях не раз показывали, что длительные интенсивные нагрузки, подобные марафону, истощают запасы гликогена в мышцах, печени и мозге, заставляя организм переключаться на использование жиров. Однако прямых доказательств того, что мозг человека в условиях подобного стресса может временно «пожертвовать» частью собственного миелина для выработки энергии, до сих пор не существовало.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые из Университета Страны Басков применили один из методов магнитно-резонансной томографии – мультикомпонентную релаксометрию. Они использовали специальную последовательность импульсов МРТ с напряженностью магнитного поля 3 Тесла и алгоритм DECAES для анализа сигналов с разным временем релаксации T2. Ключевым измеряемым параметром служила фракция миелиновой воды (Myelin Water Fraction, MWF) – доля воды, физически запертой между липидными слоями миелиновой оболочки. Эта величина – по сути неинвазивный суррогатный маркер содержания миелина: чем больше миелина, тем выше MWF.
Исследователи провели сканирование мозга 10 опытных марафонцев (8 мужчин, 2 женщины, 45-73 года) в четырех временных точках: за 24-48 часов до забега, через 24-48 часов после забега, через 2 недели (у 2 участников) и через 2 месяца (у 6 участников). Для максимально точной локализации изменений мозг каждого участника разделили на 106 регионов и значение MWF тщательно проанализировали в каждой из этих областей для каждого сканирования.
Результаты оказались однозначными: через 1-2 дня после марафона удалось зафиксировать статистически значимое снижение MWF в 12 конкретных, четко определенных областях белого вещества. Наибольшее падение – на 28% – наблюдалось в поперечном тракте моста. Ключевой двигательный путь – кортикоспинальный тракт – показал снижение MWF на 26%. Существенные потери миелинового маркера также обнаружились во всех трех ножках мозжечка (средней, верхней и нижней), а также в передней и задней лучистости мозга – областях, критически важных для связи коры с подкорковыми структурами, моторного контроля, координации движений, сенсорной интеграции и эмоциональной обработки.
Изменения были двусторонними и симметричными, затрагивая оба полушария мозга в равной степени, но при этом не оказались глобальными – например, в мозолистом теле значимых изменений MWF выявить не удалось. Хотя основное внимание уделялось белому веществу, некоторые изменения MWF нашлись и в отдельных зонах серого вещества. Однако их надежность ниже из-за исходно малого содержания миелина там и связанных с этим технических ограничений.
Динамика восстановления показала временный характер изменений: через две недели после марафона у обследованных бегунов наблюдалось лишь частичное восстановление уровня MWF. Однако через два месяца после забега у участников MWF во всех ранее пораженных областях белого вещества полностью вернулась к исходным, «домарафонским» уровням.
Исследователи уделили особое внимание опровержению возможной альтернативной причины – обезвоживания. Тщательные измерения объемов мозга, серого и белого вещества, спинномозговой жидкости, а также регионального содержания воды непосредственно в зонах со сниженным MWF показали отсутствие значимых изменений после марафона. Это убедительно доказывает, что зафиксированное падение MWF отражает реальные, хотя и временные, изменения в самой миелиновой оболочке, а не артефакты, связанные с потерей жидкости.
Авторы интерпретируют эти данные как свидетельство принципиально нового феномена – «метаболической пластичности миелина». Они выдвигают гипотезу, что при экстремальном и длительном истощении основных энергоресурсов, вызванном марафоном, мозг мобилизует липиды миелина в активно работающих проводящих путях как альтернативный источник энергии. Механизм, вероятно, заключается в способности олигодендроцитов расщеплять жирные кислоты миелина через β-окисление (особенно с участием ключевого фермента CPT1A) в своих пероксисомах и митохондриях для производства АТФ. Эти же жирные кислоты потенциально могут поставляться и соседним нейронам и аксонам для поддержания их функции в условиях энергетического кризиса.
Проводя аналогию, авторы предполагают, что подобно тому, как организм использует подкожный жир при длительном голодании, миелин может служить стратегическим «энергетическим депо» для нервной ткани. Это открытие имеет потенциальное клиническое значение: оно может пролить свет на механизмы некоторых нейродегенеративных заболеваний. Например, постепенная потеря миелина при болезнях Альцгеймера или Паркинсона, а также при рассеянном склерозе может быть частично связана с хроническим нарушением энергетического метаболизма в мозге и вынужденным длительным использованием миелиновых липидов как топлива, но без адекватного восстановления. Авторы также осторожно отмечают, что интенсивные нагрузки могут представлять дополнительный риск для людей с генетической предрасположенностью к боковому амиотрофическому склерозу (БАС), у которых миелин и олигодендроциты двигательных трактов (например, кортикоспинального пути) и без того уязвимы.
Однако исследование имеет ряд важных ограничений. Во-первых, выборка была относительно небольшой: 10 участников на этапе до/после забега, и только 2 и 6 человек на этапах сканирования через 2 недели и 2 месяца соответственно, что требует проверки в более масштабных исследованиях. Во-вторых, метод MWF, хотя и может считаться лучшим доступным неинвазивным маркером миелина, остается полуколичественным. Точная корреляция между снижением MWF и реальной потерей массы миелина нуждается в дальнейшем уточнении. Авторы предполагают, что реальная потеря миелина может составлять около 40-50% от измеренного падения MWF.
В-третьих, исследование не ответило на вопрос, влияет ли это временное снижение миелина на когнитивные функции (например, внимание, скорость обработки информации) или тонкую моторику бегунов сразу после марафона. В-четвертых, изучались эффекты «стандартных» марафонских дистанций (42,2 км), а эффекты сверхмарафонов или бега в условиях высокогорья (гипоксия) могут отличаться.
Несмотря на ограничения, эта работа впервые продемонстрировала, что человеческий мозг реагирует на экстремальную физическую нагрузку обратимой структурной перестройкой миелина в критически важных проводящих путях. И хотя у здоровых людей миелин полностью восстанавливается, исследование поднимает важные вопросы о долгосрочных эффектах экстремальных нагрузок и их потенциальной связи с патологическими процессами в нервной системе.
Текст: Анна Хоружая