Глюкоза — основное топливо для нашего мозга

Наш организм — машина, работающая на сахаре: глюкоза — его главное топливо и самый быстрый способ получить энергию. Каждый раз, когда вы едите продукты, от природы богатые углеводами, они немедленно превращаются в глюкозу. Человеческий мозг так сильно зависит от глюкозы, что даже изобрел невероятно сложные способы превращать в нее другие сахара. Например, фруктоза, сахар, содержащийся во фруктах и меде, а также лактоза, молочный сахар, преобразуются в глюкозу, едва ее уровень начинает снижаться.

Глюкоза всасывается в кровь, которая разносит ее по всему телу, давая энергию для метаболизма. Чтобы попасть в мозг и накормить миллиарды ненасытных клеток нашего мозга, она должна преодолеть гематоэнцефалический барьер. Клетки составляющих его сосудов подогнаны настолько плотно, что даже наползают друг на друга, образуя нечто вроде черепицы на крыше. Благодаря такой структуре между клетками не остается щелей, сквозь которые крупные и потенциально опасные молекулы могли бы пролезть и отравить бесценный мозг. Молекулы глюкозы, должны захватываться активно с помощью специальных транспортных механизмов. Сосуды гематоэнцефалического барьера лежат в трехмерном кружеве из отростков астроцитов. У каждого из них есть множество ножек, за что их часто называют «звездчатыми клетками». Ножки присасываются к стенкам капилляров и вытягивают из них исключительно полезные и необходимые мозгу вещества, в том числе глюкозу (хотя иногда они обманываются и доставляют прямиком в наш центральный процессор менее полезные вещества вроде героина). Кроме того, глюкоза сложным образом поступает через ликвор.

Людям, организм которых хуже умеет «перетаскивать» глюкозу из крови в мозг, будет сложнее справляться с заданиями, требующими интенсивной умственной работы, — просто потому, что их мозг не может своевременно восполнять запасы топлива.

Аппетиты мозга скромными не назовешь: хотя его масса составляет около 2% от массы тела, на работу этого органа уходит примерно 20% всех полученных организмом калорий. Хранилищ или запасных складов у мозга нет, поэтому ему необходим постоянный приток глюкозы: для бесперебойной работы наше серое вещество должно ежедневно поглощать около 120 граммов этого сахара, что эквивалентно 420 ккал (эти цифры особенно рекомендуются к ознакомлению вечно стройнеющим девушкам, стремящимся в азарте похудательной гонки сократить дневной рацион примерно до нуля килокалорий, а в идеале и вовсе до отрицательных значений).

Однако если вы уже потянулись за чем-то сладким, не спешите. В гематоэнцефалическом барьере есть специальные «сахарные ворота», работающие по механизму спроса и предложения: они открываются, когда уровень глюкозы падает, и запираются, когда он в норме. Если мозг активно работает и расходует глюкозу, он получает ее в необходимом количестве из кровотока. Но если мозг чувствует себя сытым и ему не нужно глюкозы больше, чем уже абсорбировано, лишняя порция пасты или мороженого не заставит его работать лучше или хуже — она просто наткнется на закрытую дверь. А вот вероятность, что она отложится на вашем теле в виде лишних килограммов, достаточно велика.

В ходе эволюции наши тела развили способность превращать энергию, полученную с пищей, в энергию, которую используют клетки. В течение почти всего времени существования нашего вида глюкоза – основной источник энергии для большинства клеток организма – была дефицитом. Это подтолкнуло организм к поискам способов хранения глюкозы и выработке механизмов ее получения из других веществ. При необходимости организм может производить глюкозу из жиров или белков с помощью процесса, который называется глюконеогенез.

Процесс получения и использования клетками глюкозы довольно сложен. Они не просто захватывают молекулы глюкозы, которые проносятся мимо с кровотоком. Жизненно необходимая молекула сахара сначала должна получить разрешение войти в клетку. Пропуск дает гормон инсулин, вырабатывающийся в поджелудочной железе. Инсулин, как вы, возможно, уже знаете, – одно из наиболее важных биологических веществ клеточного метаболизма. Его функция в том, чтобы переправлять глюкозу из крови в мышечные, жировые и печеночные клетки. Как только глюкоза попадает туда, ее можно использовать в качестве топлива.

В результате сложного биохимического процесса под названием «гликолиз» глюкоза расщепляется до более простых молекул, а полученная при этом энергия запасается в форме АТФ (аденозинтрифосфат) — особой клеточной «батарейки», которая питает все метаболические процессы. Мозг производит АТФ из глюкозы «по требованию»: если в данный момент энергия нужна, например, зрительной коре, то туда начинает активно поступать сахар, который превращается в энергию на месте. Основная часть (около 60–70%) полученных из глюкозы килокалорий нужна мозгу для того, чтобы проводить нервные импульсы, генерировать потенциалы действия. Кроме того, он постоянно тратит энергию на синтез нейромедиаторов — небольших, но крайне важных молекул, которые управляют всеми аспектами работы мозга и через его посредничество — остального организма, и их рецепторов.

Долгое время считалось, что концентрация глюкозы в разных отделах мозга примерно одинакова. Однако в последние годы были разработаны сверхточные методы, которые позволяют определять содержание этого сахара в отдельных регионах мозга. И оказалось, что наблюдаемая однородность была всего лишь следствием несовершенных измерений. Точно так же Марс веками казался астрономам ровным и гладким, но появились мощные телескопы — и наблюдатели с удивлением выяснили, что его поверхность сплошь покрыта кратерами, горными хребтами, рытвинами и каньонами.

Для решения некоторых задач глюкоза расходуется в режиме реального времени

Отдельные мозговые процессы буквально «высасывают» глюкозу, причем ее содержание падает не в целом по мозгу, а только в зонах, которые ответственны за решение конкретной задачи. Например, у крыс, которые пытались выучить, как расположены проходы в лабиринте, уровень сахара в гиппокампе — области мозга, которая участвует в обработке и хранении пространственной информации, падал на 30%. Чтобы восполнить запас глюкозы, нужно время — и, собственно, глюкоза.

В норме организм стремится поддерживать постоянную концентрацию глюкозы в крови — примерно на уровне 4,2–4,6 ммоль/л. Хотя, мозг потребляет глюкозу неравномерно, «в среднем по больнице» можно говорить о равновесии между концентрацией этого сахара в целом в крови и в мозгу. Если для выполнения какой-либо особо сложной задачи мозгу нужно больше глюкозы, он черпает ее из общего запаса глюкозы в крови — а значит, концентрация сахара там падает.

Соответственно, если изначально дать организму дополнительную глюкозу, например, влив в него чай с сахаром или другой сладкий напиток, мозг получит больше ресурсов для решения задачи. И наоборот, если изначально содержание сахара в крови невелико, мозгу будет не хватать топлива для полноценной работы, и он будет хуже справляться со своими обязанностями.

В старые добрые времена, когда этические комитеты не так свирепствовали, исследователи порой баловались совсем уж радикальными опытами. В 1997 году немецкие нейрофизиологи вкололи добровольцам изрядную дозу инсулина, чтобы наверняка спровоцировать у них состояние гипогликемии — значительного понижения уровня сахара в крови. Потом несчастных усадили перед экраном с двумя кнопками и дали указание нажимать на них только тогда, когда на мониторе будут появляться нужные буквы нужного цвета. Причем правую кнопку полагалось жать в ответ на одну букву, скажем, «М», а левую — когда высвечивалась другая, например, «Т». Это непросто сделать и в нормальном состоянии, но без сахара процент ошибок и время реакции стали совсем уж неприлично большими.

Если заставить сытого человека долго решать какую-нибудь задачу, требующую внимания, рано или поздно он начнет ошибаться, а концентрация глюкозы как в мозгу, так и в крови упадет. Но у голодных этот эффект особенно выражен и наступает быстрее. После того как за обедом вы мужественно отказались от пирожного, за ужином остаться в рамках здорового питания будет куда сложнее. Поэтому худеющие злоупотребляют вредной едой именно во время последнего приема пищи, т. е. как раз тогда, когда лучше бы воздержаться от жирного и сладкого. В дополнение ко всему ближе к ночи организм в принципе хуже усваивает глюкозу, так что бороться с искушением становится почти невозможно.

ПМС доказывает, что сила воли зависит от содержания глюкозы

ПМС доказывает, что и сила воли зависит от содержания глюкозы. Предменструальный синдром, он же ПМС — расстройство менструального цикла, которое превращает уютную пушистую кошечку в злобную фурию. ПМС начинается за 7–10 дней до менструации и полностью исчезает с приходом месячных. В чем причина ПМС, до конца неизвестно, но данные исследований указывают, что он связан с физиологическими нарушениями сразу в нескольких органах, в том числе в некоторых отделах мозга. С эволюционной точки зрения ПМС бесполезен и даже вреден: пещерный мужчина, не обремененный современными знаниями о толерантности и терпимости, вряд ли мог долго выносить регулярные выкрутасы своей подружки. Но, скорее всего, доисторические люди знать не знали, что такое ПМС: большую часть своей недолгой жизни древние женщины проводили, будучи беременными или выкармливая очередного младенца. Когда ребенок сосет грудь, организм женщины выделяет гормон пролактин, подавляющий овуляцию, т. е. у кормящей мамы нет ни месячных, ни предменструального синдрома. А вот наблюдательным врачам Древнего Рима ПМС был уже хорошо известен, хотя данных о том, насколько эта напасть была распространена в то время, не сохранилось.

Лабораторные тесты показывают, что в крови дам с выраженным ПМС в конце менструального цикла значительно меньше глюкозы, чем у тех, кто не жалуется на изменения настроения в разные фазы цикла. Можно предположить, что у склонных к ПМС женщин восполнение запасов глюкозы происходит не оптимально. В результате ее концентрация в крови падает, из-за чего сложнее контролировать настроение и удерживаться от соблазнов. Для женщин в лютеиновой фазе в принципе характерны сниженная концентрация внимания, склонность совершать ненужные покупки, злоупотреблять сладким, спиртным и даже принимать наркотики. И если «сахарная» гипотеза самоконтроля справедлива, то женщины, предрасположенные к ПМС, должны все эти импульсивные поступки совершать еще чаще — из-за постоянно сниженной концентрации глюкозы.

Сахар в буквальном смысле может влияет на судьбы людей

В 2011 году психологи из Бизнес-школы Колумбийского университета и Университета имени Бен-Гуриона опубликовали работу, которая заставила многих (в очередной раз) задуматься, в каком несовершенном мире мы живем. Исследователи в течение 10 месяцев наблюдали, как судьи в израильских тюрьмах выносят решения об условно-досрочном освобождении. И оказалось, что шанс заключенного выйти из тюрьмы раньше срока зависит в первую очередь от того, в какое время его дело попало к судье. Первые несколько прошений чаще всего удовлетворялись, дальше процент одобренных прошений постепенно снижался и к обеду падал почти до нуля. Затем судьи шли подкрепиться, и после их возвращения история в точности повторялась: сначала удовлетворенных прошений было много, но чем ближе подходило время ужина, тем меньше осужденных получали шанс освободиться досрочно. Вынесение решения о том, выйдет человек на свободу или останется за решеткой, — занятие, требующее изрядного самоконтроля. Судье нужно ознакомиться с материалами (а это внушительная кипа бумаг), преодолеть в себе предубеждение к заключенному и наконец сделать выбор. Эти действия сильно изматывают и, по всей видимости, истощают запасы глюкозы в мозгу и в крови в целом. Исследователи не измеряли у арбитров содержание сахара, но очевидное изменение степени милосердия до и после обеда, когда в кровь поступает много глюкозы, косвенно указывает, что это качество связано не только с объективностью того или иного судьи.

Источники:

Москони Л. | Диета для ума  

Перлмуттер Д., Лоберг К. | Еда и мозг

Якутенко И. | Воля и самоконтроль