Hjärnan kan bli energi under ett maraton
Hjärnans isolering kan bli nödenergi under ett maratonlopp
En ny studie i Nature Metabolism tyder på att intensiv uthållighetsträning, som att springa ett maratonlopp, kan orsaka en tillfällig minskning av myelinhalten i hjärnan. Med hjälp av avancerade magnetiska resonanstomografitekniker (MRI) observerade forskare att myelin - ett fettämne som isolerar nervfibrer och stöder hjärnans funktion - minskade signifikant kort efter maratonlöpning, men återgick till normala nivåer inom två månader. Dessa fynd tyder på att en tidigare okänd form av hjärnans plasticitet, dr myelin kan fungera som en energireserv under extrema metaboliska förhållanden.
Bakgrunden till studien kom från en växande mängd bevis som visar att myelin, som utgör den vita substansen i hjärnan, inte bara är viktig för nervimpulser utan också kan spela en roll i hjärnans ämnesomsättning. Myelin består huvudsakligen av lipider, och nyligen genomförda djurstudier har antytt att kroppen i tider av energibrist kan utnyttja dessa strukturer rika på lipider för att stödja hjärnans funktion. Forskarna ville testa om detta också kunde hända människor som utsätts för intensiv fysisk ansträngning, såsom maratonlöpare som ofta upplever betydande utarmning av kroppens primära energikällor under ett lopp.
"Jag är löpare och har studerat myelinbiologi i tre decennier. I sökandet efter ett ramverk för att utforska idén att hjärnmyelin fungerar som en energikälla, övervägde jag den metaboliska stressen vid maratonlöpning som ett potentiellt sätt att testa denna hypotes", förklarade studieförfattaren Carlos Matute, professor vid universitet i Baskien, och CIBERNED-Instituto Carlos III.
För att undersöka denna möjlighet rekryterade forskargruppen 10 erfarna maratonlöpare mellan 45 och 73 år. Dessa volontärer, som var vid god hälsa och inte fick någon ekonomisk ersättning, deltog i olika maratonevenemang inklusive stads- och bergslopp.
Varje löpare genomgick en serie MR-undersökningar: en gång 48 timmar före loppet, återigen 24 timmar till 48 timmar efter, och för en delmängd av deltagarna två veckor och två månader efter att ha avslutat maratonloppet.
Forskarna använde en sofistikerad avbildningsmetod som kallas multikomponentrelaxometri-MRI, vilket gör det möjligt för dem att generera kartor över hjärnans myelinvattenfraktion (MWF). Denna mätmetod anses vara tillförlitlig, om än indirekt, indikator på hur mycket myelin som finns i olika hjärnregioner. Tekniken fångar andelen vattenmolekyler som är fångade mellan myelinskidorna, vilket återspeglar myelinets närvaro och integritet.
Initiala skanningar som gjordes före loppet visade konsekventa MWF-mönsterhos deltagarna, med individuell variation. Efter loppet visade dock MRI-data en signifikant minskning av MWF i flera substansregioner i hjärnan, särskilt i områden kopplade till motorisk koordination, sensorisk bearbetning och emotionell reglering. Några av de mest drabbade regionerna inkluderade kortikospinaltrakten, pontinkorsningstrakten och lillhjärnan - områden involverade i rörelse och balans.
I genomsnitt minskade MWF med så mycket som 28% i vissa områden inom två dagar efter att maratonloppet avslutats. Det är värt att notera att minskningarna observerades i båda hjärnhalvorna och inte inträffade enhetligt i alla regioner. Förändringarna var särskilt uttalade i områden med hög myelisering av vit substans, medan de flesta regioner med grå substans förblev opåverkade, troligen på grund av deras lägre myelinhalt vid baslinjen och begränsad känslighet hos avbildningsmodellen i dessa regioner.
Det är viktigt att notera att forskarna uteslöt flera alternativa förklaringar till förändringar i MWF. Uttorkning, till exempel, skulle kunna förändra vattenfördelningen i hjärnan och snedvrida avbildningsresultaten, men inga signifikanta förändringar i hjärnvolym eller regionalt vatteninnehåll upptäcktes. Andra potentiella störfaktorer, såsom hjärnsvullnad (ödem), fluktuationer i järnnivåer och effekter på MR-signalorientering, ansågs också vara osannolika bidragsgivare baserat på tidigare studier och utformningen av denna forskning.
Två veckor efter loppet visade uppföljningsskanningar att myelinnivåerna började återhämta sig men ännu inte nått nivåerna före loppet. Efter två månader hade dock MWF-värdena helt återhämtat sig i alla tidigare drabbade hjärnregioner. Detta reversibla mönster indikerar att minskningen av MWF inte var ett tecken på långsiktig skada utan snarare en tillfällig anpassning - vad författarna beskriver som en form av "metabolisk myelinplasticitet".
"Den största begränsningen var teknisk - jag trodde inledningsvis att det skulle vara svårt att upptäcka förändringar i myelinhalten", berättade Matute. "Så det var överraskande att observera att myelinnivåerna snabbt kan minska inom bara 3 till 4 timmar, den typiska längden för ett maratonlopp, och sedan återhämta sig inom några veckor. Detta fynd belyser en viktig punkt: hjärnan är mer dynamisk och plastisk än man tidigare trott. En annan oväntad upptäckt var att dessa förändringar sker inom ett brett åldersintervall, löparna i vår studie var mellan 45 och 73 år gamla."
Resultaten stöder "idén att hjärnan har en betydande fettdepå - myelin - som potentiellt skulle kunna användas för att driva dess aktivitet", sa Matute. Under ett maratonlopp tömmer kroppen snabbt sina kolhydratreserver och vänder sig till fett för energi. Hjärnan kan följa en liknande strategi och mobilisera lipidreserver lagrade i myelinskidan för att upprätthålla sin funktion. Djurforskning har visat att gliaceller - de stödceller som producerar myelin - kan metabolisera fettsyror genom en process som kallas ß-oxidation för att generera energi under perioder av glukosbrist. Denna metaboliska flexibilitet kan bidra till att skydda nervfibrer och upprätthålla kommunikationen i hjärnan under extrem fysisk stress.
Även om den observerade minskningen av myelin var blygsam och övergående, är implikationerna betydande. om myelinlipider kan användas som nödenergikälla kan detta belysa hur hjärnan hanterar metaboliska utmaningar utöver träning, inklusive undernäring eller neurologiska sjukdomar som kännetecknas av försämrad energibalans. Studier har faktiskt visa att myelinintegriteten påverkas vid tillstånd som anorexia nervosa och neurodegenerativa sjukdomar, vilket väcker frågor om liknande metaboliska mekanismer är inblandade.
Det finns vissa begränsningar i studien. Urvalsstorleken var liten, med endast 10 deltagare, och de flesta uppföljningsdata var begränsade till delmängder av denna grupp. Forskarna kunde inte heller direkt mäta myelin på cellnivå, eftersom det för närvarande inte finns några icke-invasiva verktyg för att göra det med fullständig noggrannhet. MWF, även om det är tillförlitligt, anses som ett semikvantitativt mått och kan påverkas av faktorer som inte är relaterade till nedbrytning av myelin, såsom mindre förändringar i vattenfördelning eller vävnadsammansättning.
Framtida forskning kommer att behöva bekräfta dessa fynd i större och mer mångsidiga populationer. Författarna planerar också undersöka om den tillfälliga förlusten av myelin som observerats efter ett maratonlopp har några kortsiktiga effekter på hjärnfunktion, kognition och humör. Dessa uppföljningsstudier kan bidra till att avgöra om förändringar i myelinhalten leder till mätbara skillnader i hur hjärnan presterar efter intensiv fysisk aktivitet.
"Nästa steg innebär att undersöka om förändringar i hjärnfunktion och kognition följer de observerade förändringarna i myelin", förklarade Matute. "På lång sikt är vårt mål att avslöja de cellulära och molekylära mekanismer som åstadkommer myelinförbrukning som energikälla för hjärnan - och dess efterföljande återhämtning. Att få insikt i dessa frågor kan bidra till utvecklingen av behandlingar för patienter med demyeliniserande sjukdomar som multipel skleros samt för att hantera effekterna av åldersrelaterad myelinnedgång på hjärnfunktion och kognition."
Kommentarer
Skicka en kommentar