متابولیسم مغز در حالت سلامت، پیری و اختلال عصبی
چکیده
سلول های مغزی به چالش های زیست انرژی ناشی از فعالیت رایج مدارهای عصبی و تنش دهنده‌های محیطی پرانرژی مانند محرومیت از غذا و فعالیت بدنی واکنش نشان می دهند. در سطح سلولی، چنین واکنش های سازگار شامل تقویت سیناپس های موجود، ایجاد سیناپس های جدید و تولید نورون های جدید از سلول های ساقه است. در سطح مولکولی، چالش های انرژی زیستی موجب فعال‌سازی عوامل رونوشت برداری می شوند که شامل بیان پروتئین هایی است که مقاومت عصب ها را به انواع تنش های متابولیک، اکسیداتیو، اکسی توکسیک و تنفس پروتئومتری افزایش می دهند و در ایجاد حالت بیماری ناشی اختلالات مغزی مانند بیماری های سکته، آلزایمر و پارکینسون نقش دارند. یافته های جدید نشان می دهد که سبک زندگی که شامل چالش‌های زیست‌محیطی متناوب است، به‌ویژه ورزش و رژیم غذایی محدودکننده انرژی می تواند این احتمال را افزایش دهد که مغز عملکرد مطلوبی در صورت فقدان بیماری در طول زندگی داشته باشد. در اینجا یک بررسی در رابطه با مکانیزم های سلولی و مولکولی که متابولیسم انرژی را در مغز تنظیم می کند، ارائه می شود و نشان می دهد که چطور این مکانیزم ها طی پیری و اختلالات عصبی تغییر می کنند و همچنین کاربرد آن برای سلامت و درمان بیماری های مغز مشخص می-شود که در مسیرهای موجود در سازگاری عصبی به تنش های متابولیک مشارکت می کنند.
مقدمه
عملکرد بالای شناختی توسط مغز انسان بستگی به گستردگی و افزایش تراکم و پیچیدگی نوقِشر (نئوکورتکس) عصبی طی تکامل دارد (Rakic, 2009). افزایش توانایی مغز انسان برای طراحی رفتارهای پیچیده، تصمیم گیری و پردازش مفاهیم اجتماعی و احساسی احتیاج دارد تا از انرژی کافی برخوردار باشد. بااین‌وجود، با برخورداری از تنها 2% از وزن کل بدن، مغز 20% انرژی هر فرد را موقع استراحت مصرف می کند (Kety, 1957;Sokoloff, 1960). در میان سلول‌های مغزی، نورون ها 80-70 % انرژی کل را مصرف می کنند، بخش های باقیمانده توسط سلول های گلیال (آستروسیت ها، الیگودندرون ها و میکروگلاییا) مصرف می شوند (Harris et al, 2012;Hyder et al, 2013). موجودات انرژی در دسترس خود را به نیازهای رقابتی نگهداری، رشد، تولید اختصاص می دهند، به‌ویژه در آغازی ها، عملکرد بالاتر قشر مغز مشاهده می شود (ارتباطات، تصور و خلاقیت). شواهد روبه رشد نشان می دهند که کل بدن نقش مهمی در گسترش قشر مغزی طی تکامل آغازی ها ایفا می کند. مطالعات متعدد با مقایسه بیان ژن ها و نواحی تنظیم‌کننده در مغز آغازی های مختلف نشان دهنده افزایش بیان ژن های و متابولیت-های مشارکت‌کننده در متابولیسم اکسیداتیو و عملکرد میتوکندریایی در مغز انسان است (Grossman et al, 2001, 2004; Ca ´ceres et al, 2003; Uddin et al, 2004; Haygood et al, 2007). علاوه بر این، شواهد موجود نشان دهنده افزایش میزان متابولیت ها به همراه قابلیت های بالاتر برای رسوب چربی و تغییر در تسهیم انرژی بود که برای تکامل اندازه و پیچیدگی مغز حیاتی است (Pontzer et al, 2016). با درک نشانه های متابولیک سلول های مختلف مغز، و فعل‌وانفعالات متابولیک آن ها، نه‌تنها درک ما از چگونگی عملکرد مغز و سازگاری با نیازهای محیطی افزایش یافت، بلکه روند مغز انسان به سمت اختلالات عصب مغزی مرتبط با پیری را روشن کرد. در سال های اخیر مشخص‌شده است که تغییرات متابولیک تأثیر زیادی بر تحریک و پیشرفت بسیاری از اختلالات عصبی داشتند. کاهش در میزان گلوکز و اکسیژن متابولیک سلول های مغزی طی پیر شدن طبیعی ایجاد می شود (Hoyer, 1982a) و در صورت بروز اختلالاتی مانند بیماری های آلزایمر (AD)، اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS) پارکینسون (PD) و هانتیگتون (HD) تشدید می شود (Hoyer, 1982b).در مقاله مروری، اطلاعات حال حاضر درزمینۀ متابولیسم انرژی سلول عصبی در قشر مغز دارای عملکرد طبیعی، انعطاف‌پذیری نوروپلاستی و بیماری زایی اختلالات عصبی موردبررسی قرار گرفت.
Abstract
Brain cells normally respond adaptively to bioenergetic challenges resulting from ongoing activity in neuronal circuits, and from environmental energetic stressors such as food deprivation and physical exertion. At the cellular level, such adaptive responses include the “strengthening” of existing synapses, the formation of new synapses, and the production of new neurons from stem cells. At the molecular level, bioenergetic challenges result in the activation of transcription factors that induce the expression of proteins that bolster the resistance of neurons to the kinds of metabolic, oxidative, excitotoxic, and proteotoxic stresses involved in the pathogenesis of brain disorders including stroke, and Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. Emerging findings suggest that lifestyles that include intermittent bioenergetic challenges, most notably exercise and dietary energy restriction, can increase the likelihood that the brain will function optimally and in the absence of disease throughout life. Here, we provide an overview of cellular and molecular mechanisms that regulate brain energy metabolism, how such mechanisms are altered during aging and in neurodegenerative disorders, and the potential applications to brain health and disease of interventions that engage pathways involved in neuronal adaptations to metabolic stress.
Introduction
The higher cognitive functions of the human brain depend upon the expansion and increased density and complexity of the neocortex during evolution (Rakic, 2009). The enhanced abilities of the human brain to plan complex behaviors, make decisions, and process emotional and social contexts came with hefty energy requirements. Although it is only 2% of the total body weight, the brain accounts for 20% of an individual’s energy expenditure at rest (Kety, 1957; Sokoloff, 1960). Among brain cells, neurons expend 70–80% of the total energy, with the remaining portion being utilized by glial cells (astrocytes, oligodendrocytes, and microglia) (Harris et al, 2012; Hyder et al, 2013). Organisms allocate their available energy among the competing needs of maintenance, growth, reproduction, and, particularly in primates, higher cortical functions (communication, imagination, and creativity). A growing body of evidence suggests that metabolic adaptations within the brain and whole body played important roles in the expansion of the cerebral cortex during primate evolution. Several studies comparing the expression of genes and regulatory regions in brains of various primates have shown an up-regulation of genes and metabolites involved in oxidative metabolism and mitochondrial functions in human brains (Grossman et al, 2001, 2004; Ca´ceres et al, 2003; Uddin et al, 2004; Haygood et al, 2007). Furthermore, recent evidence indicates that an increase in metabolic rate, coupled with a higher predisposition to deposit fat and changes in the allocation of energy supplies, was crucial for the evolution of brain size and complexity (Pontzer et al, 2016). Understanding the metabolic signatures of different brain cells, and their metabolic interactions, will not only advance our understanding of how the brain functions and adapts to environmental demands, but may also elucidate the propensity of the human brain to age-related neurodegenerative disorders. In recent years, it has become evident that metabolic alterations strongly influence the instigation and progression of many neurodegenerative disorders. Decreases in glucose and oxygen metabolic rates of brain cells occur during normal aging (Hoyer, 1982a) and are further exacerbated in disorders such as Alzheimer’s (AD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Parkinson’s (PD), and Huntington’s (HD) diseases (Hoyer, 1982b). In this review article, we summarize the current knowledge of neural cell energy metabolism in the contexts of normal brain function, adaptive neuroplasticity, and the pathogenesis of neurodegenerative disorders.
چکیده
مقدمه
محدودیت های مغزی و ناقل های متابولیت
مسیرهای متابولیک گلوکز در نورون ها و آستروسیت ها
متابولیسم مونوکربوکسیلیک اسید
متابولیسم مغز در پیری
تغییر متابولیسم در اختلالات عصبی
عادت های سالم برای یک مغز سالم
نتیجه گیری و مسیرهای آینده
Abstract
Introduction
Brain barriers and metabolite transporters
Glucose metabolic pathways in neurons and astrocytes
Monocarboxylic acid metabolism
Brain metabolism in aging
Altered metabolism in neurodegenerative disorders
Healthy habits for a healthy brain
Conclusions and future directions
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه