Vì sao não tiêu tốn nhiều năng lượng?

Theo nhóm nghiên cứu, các khớp thần kinh tiêu thụ rất nhiều năng lượng, ngay cả khi những tế bào thần kinh không hoạt động.

Sự rò rỉ của các túi nhỏ

Não của chúng ta có thể đang bị rò rỉ… năng lượng. Đây là kết quả từ một nghiên cứu mới được công bố vào tháng 12/2021 trên tạp chí Science Advances. Điều đó có thể giải thích tại sao trí óc của chúng ta thường tiêu thụ 20% năng lượng cần thiết để duy trì hoạt động của cơ thể.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học phát hiện, những túi nhỏ với chức năng chứa thông điệp được truyền giữa các tế bào não có thể liên tục phát ra năng lượng. Khi đó, tình trạng rò rỉ có thể là một sự đánh đổi để não luôn sẵn sàng hoạt động.

Tác giả nghiên cứu - ông Timothy Ryan, Giáo sư hóa sinh tại Trường Y khoa Weill Cornell Medicine ở thành phố New York (Mỹ) - cho biết: "Bộ não được coi là một cơ quan rất quan trọng để vận hành cơ thể".

Các nhà khoa học trước đây cho rằng, tình trạng rò rỉ năng lượng này liên quan đến thực tế là não đang hoạt động về mặt điện. Có nghĩa là: Các tế bào não, hoặc tế bào thần kinh, liên tục phát ra những tín hiệu điện để giao tiếp. Đây là một quá trình đốt cháy lượng lớn phân tử năng lượng được gọi với tên adenosine 5 ‘-triphotphat (ATP).

Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua, các nghiên cứu lâm sàng cho thấy, não của những người ở trạng thái thực vật hoặc hôn mê vẫn tiêu thụ một lượng lớn năng lượng. Trong khi đó, ở trạng thái này, hoạt động điện của não rất nhỏ.

Nhà nghiên cứu Ryan cho biết, bởi lý do đó, các nhà khoa học thần kinh đã phải đối mặt với một câu hỏi hóc búa: Nếu hoạt động điện không sử dụng hết năng lượng trong não, thì điều gì sẽ xảy ra?

Những năm gần đây, Ryan và nhóm của ông đã nghiên cứu các điểm nối trong não được gọi là khớp thần kinh. Đây là nơi các tế bào thần kinh kết nối và giao tiếp bằng cách phóng ra các túi nhỏ chứa đầy "sứ giả hóa học", được gọi là chất dẫn truyền thần kinh.

Trước đây, họ đã chỉ ra rằng, các khớp thần kinh sử dụng rất nhiều năng lượng để hoạt động. Tuy nhiên, trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã vô hiệu hóa các khớp thần kinh của chuột bằng độc tố.

Sau đó, họ đo nồng độ ATP bên trong các khớp thần kinh. Nhóm nghiên cứu nhận thấy, các khớp thần kinh tiêu thụ rất nhiều năng lượng, ngay cả khi những tế bào thần kinh không hoạt động.

Sử dụng năng lượng không hiệu quả

Để tìm hiểu lý do, các nhà khoa học đã loại bỏ "bơm" trên bề mặt của các túi nhỏ. Những bơm này có chức năng di chuyển các chất dẫn truyền thần kinh cũng như phân tử khác ra - vào. Khi đó, các khớp thần kinh bị thiếu nhiên liệu.

Nhóm nghiên cứu tiếp tục chụp ảnh các khớp thần kinh bằng kính hiển vi huỳnh quang.

Từ đó, ghi lại lượng ATP mà khớp thần kinh đã đốt cháy. Họ phát hiện, một "bơm proton" chịu trách nhiệm cho khoảng 44% năng lượng được sử dụng trong khớp thần kinh. Khi tìm hiểu kỹ hơn, các nhà nghiên cứu phát hiện, bơm proton phải tiếp tục hoạt động và đốt cháy ATP. Bởi, các túi luôn "rò rỉ" proton.

Các khớp thần kinh không hoạt động nhanh chóng khởi động các túi nhỏ này, bằng cách đóng gói chúng thông qua các chất dẫn truyền thần kinh. Quá trình này được thực hiện với sự trợ giúp của một bơm khác đặt trên bề mặt của các túi nhỏ.

Loại bơm này, được gọi là protein vận chuyển, có khả năng thay đổi hình dạng để mang chất dẫn truyền thần kinh bên trong. Đổi lại, chúng lấy một proton từ bên trong túi, thay đổi hình dạng một lần nữa và đưa proton ra khỏi túi.

Để quá trình này hoạt động, các túi phải có nồng độ proton bên trong cao hơn so với môi trường xung quanh nó. Song, các nhà nghiên cứu phát hiện, ngay cả sau khi các túi chứa đầy chất dẫn truyền thần kinh, protein vận chuyển vẫn tiếp tục thay đổi hình dạng.

Mặc dù không mang chất dẫn truyền thần kinh vào trong túi, nhưng chúng vẫn tiếp tục phun ra các proton. Điều đó đòi hỏi bơm proton phải tiếp tục hoạt động để nạp đầy nguồn chứa proton của túi.

"Vì vậy, chúng tôi đã phát hiện ra sự kém hiệu quả trong đó là gì. Tình trạng rò rỉ là không đáng kể. Tuy nhiên, nếu bạn cộng hàng nghìn tỷ lần rò rỉ với nhau, thì kết quả là một mức độ khá lớn ngay cả khi không có bất kỳ hoạt động điện nào", nhà nghiên cứu Ryan nhận định.

Các nghiên cứu được thực hiện bằng cách sử dụng tế bào thần kinh của chuột trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, theo nhóm nghiên cứu, có mối liên hệ vô cùng lớn giữa não chuột và người. Vì vậy, ông Ryan cho rằng, những phát hiện này có khả năng cao cũng đúng với não người.

Nhà nghiên cứu này chia sẻ, lý do bộ não của chúng ta tiến hóa để xảy ra sự rò rỉ này vẫn chưa được làm rõ. Tuy nhiên, việc thay đổi hình dạng dễ dàng có thể là một sự đánh đổi để các túi nhỏ nhanh chóng đóng gói các chất dẫn truyền thần kinh.

Ryan và nhóm của ông hy vọng rằng, những phát hiện này có thể giúp ích không chỉ đối với hiểu biết cơ bản về não người, mà còn cả về mặt lâm sàng. Ví dụ, khám phá này có thể dẫn đến sự hiểu biết và phương pháp điều trị tốt hơn đối với một số bệnh, như Parkinson.

Với căn bệnh này, não có thể không đủ nhiên liệu để tạo ra ATP. "Trong trường hợp đó, bạn đang nói về một chiếc ô tô chạy không tải nhưng không được đổ thêm xăng. Điều đó thực sự sẽ mang lại vấn đề", Giáo sư Ryan chia sẻ.