Путь молекулы: от крови до нейрона
Сначала — сосуды. Кровь идёт от сердца по всё более мелким трубкам: аорта → артерии → артериолы → капилляры. Артерии и артериолы — это толстостенные «магистрали», через их стенку ничего не выходит, они только доставляют кровь. Обмен веществ происходит только в капиллярах — самых тонких сосудах, стенка которых толщиной всего в одну клетку. Именно здесь кровь «отдаёт» мозгу глюкозу и кислород и забирает CO2.
Стенка капилляра — сплошная, из спаянных клеток. В большинстве органов между клетками стенки капилляра есть щели, и через них наружу просачиваются даже белки. В мозге не так: клетки стенки (эндотелиоциты) намертво склеены друг с другом плотными контактами — специальными белками (claudin-5, occludin, ZO-1), которые опоясывают каждую клетку сплошной лентой. Щелей нет. Сама стенка — жироподобная (липидная), поэтому сквозь неё «сами по себе» просачиваются только мелкие жирорастворимые молекулы: O2, CO2, вода, а также этанол, никотин, кофеин. Глюкоза, аминокислоты, ионы — сами пройти не могут.
Двери в стенке — транспортёры. Чтобы нужные, но «непроходимые» вещества всё-таки попали в мозг, в стенку встроены белки-транспортёры. Каждый пропускает строго своё, как турникет под один тип пропуска: GLUT1 — только глюкозу, MCT1 — кетоны и лактат, LAT1 — большие аминокислоты, CAT1 — другие аминокислоты, и т.д. А чтобы в мозг не пролезло чужое, в стенке стоят насосы-вышибалы (P-гликопротеин, BCRP), выкачивающие посторонние молекулы обратно в кровь.
Выход в мозговую ткань. Всё, что прошло через стенку (диффузией) и через транспортёры (через «двери»), попадает в межклеточное пространство мозга (интерстиций) — тонкую жидкую прослойку между клетками. Отсюда молекулы уже разбираются самими клетками мозга.
А что такое сама мозговая ткань? Это очень плотно упакованные клетки трёх видов: нейроны (те, что проводят сигналы), глия (клетки-помощники — прежде всего астроциты) и пронизывающие всё это капилляры. Астроциты своими отростками-«ножками» почти целиком (~99%) обнимают капилляр и передают питательные вещества нейронам. Получается тесная связка капилляр → астроцит → нейрон — её называют нейроваскулярной единицей.
Отдельная забота — калий (K+). Нейроны крайне чувствительны к уровню калия снаружи: от него зависит их возбудимость. Поэтому мозг держит калий в межклеточной жидкости низким и стабильным (~2.9 ммоль/л), даже если в крови он скачет — стенка капилляра калий из крови внутрь не пускает. А калий, который сами нейроны выбрасывают наружу при каждом импульсе, тут же впитывают астроциты и растаскивают по своей сети (это называют калиевой буферизацией). Заодно этот выброс K+ служит сигналом «нейрон работает» — астроциты расширяют капилляр рядом и усиливают приток крови к активному участку (на этом основан сигнал фМРТ).
Итог: кровь доходит по сосудам до капилляра → стенка пропускает сама только мелкие жирорастворимые молекулы → всё остальное нужное входит через свои транспортёры, чужое выкидывается насосами → вещества выходят в межклеточную жидкость → их разбирают клетки мозга (нейроны и глия). Именно эта система «стенка + транспортёры» и называется гематоэнцефалическим барьером (ГЭБ).
Поток глюкозы через ГЭБ: ~120 мг/мин у взрослого. Поломка GLUT1 → синдром De Vivo (эпилепсия, задержка развития). При голодании ↑ MCT1 → мозг переходит на кетоны (до 70% энергии). Если стенка повреждается (инсульт, инфекция, травма) — в мозг прорываются белки крови и иммунные клетки, начинается отёк и воспаление.