Навіть у спокої нейронам потрібно багато енергії - щоб підтримувати свою готовність до роботи.
Як відомо, мозок їсть дуже і дуже багато енергії. На перший погляд, зрозуміло, чому: нейронні імпульси - це постійне відкривання і закривання іонних каналів, перекачування іонів то на одну, то на іншу сторону клітинної мембрани, причому все повинно відбуватися дуже швидко і одночасно у величезній кількості нервових клітин. Однак мозок витрачає велику кількість навіть тоді, коли, здавалося б, майже нічого не робить. Кілька десятиліть тому нейробіологи з'ясували, що у людей в комі і в так званому вегетативному стані, коли мозок не зайнятий майже ніякою діяльністю крім елементарних рефлексів, він все одно вимагає багато поживних речовин. Витрата глюкози в такому мозку падає всього лише наполовину - занадто мало порівняно з тим, що можна було б очікувати.
Тут потрібно згадати, як нейрони передають імпульси один одному. Коли імпульс добігає до міжнейронного контакту (синапсу), передавальний нейрон вивільняє з себе речовини-нейромедіатори. Молекули нейромедіаторів виходять у синаптичну щілину і швидко досягають приймаючого нейрона, зв'язуючись з його рецепторами. Коли приймаючий нейрон відчуває нейромедіатори, він генерує імпульс, який біжить далі, до наступного нейрона. Кілька років тому співробітники Медичного коледжу Вейл Корнелл з'ясували, що якраз на синапси йде велика частина енергії, яку споживає активний нейрон.
Але й у неактивного нейрона синапси залишаються головними поїдачами енергії. Нейрон накопичує нейромедіатори в мембранних бульбашках-везикулах. Коли настає час передати імпульс, ці бульбашки з нейромедіаторами підпливають до клітинної мембрани і викидають нейромедіатор в щілину назустріч приймаючому нейрону. Очевидно, у нейрона повинен бути запас нейромедіаторних бульбашок, і він у нього є. Але нейромедіатори потрапляють у бульбашки за допомогою спеціальних транспортних білків, які вбудовані в мембрану везикул. У свою чергу, ці транспортні білки працюють за допомогою інших білків, які перекачують всередину бульбашки іони водню (протони). На перекачування іонів водню потрібна енергія. Виходить наступна картина: протонні насоси витрачають енергію і заповнюють бульбашки протонами, висока концентрація протонів активує транспортні білки, які закачують в ті ж бульбашки молекули нейромедіаторів.
Але ось везикули заповнилися нейромедіаторами - значить, протонний насос можна відключити? У тому-то все і справа, що не можна: як йдеться у статті в Science Advances, протони весь час витікають назовні з бульбашок, причому витікають вони через ті білки, які транспортують нейромедіатори. Ці білки переносять нейромедіатори надзвичайно швидко, але побічний ефект їх швидкості полягає в тому, що вони одночасно виявляються «дірою» для протонів.
Виходить, що навіть коли бульбашки наповнені нейромедіаторами, протонні насоси все одно повинні працювати, щоб підтримувати потрібний рівень протонів в бульбашках - і щоб нейромедіаторні насоси, нехай неактивні зараз, могли б включитися відразу, як тільки це знадобиться. Якщо врахувати, що на весь мозок кількість нейромедіаторних везикул обчислюється сотнями трильйонів, то зрозуміло, чому мозок навіть у комі вимагає величезних енергетичних витрат.