2021年12月6日大脑对其燃料供应中断的脆弱性是神经病学的一个主要问题，并且在包括阿尔茨海默病和帕金森病在内的许多常见脑部疾病中都发现了代谢缺陷。但同样地，大脑消耗的能量比其他器官多得多。威尔康奈尔医学院的研究人员现在发现，将神经递质包装到囊泡中的过程可能是造成这种能量消耗的原因。他们的研究发表在《科学进展》上，提供了重要的新见解，可以帮助科学家更好地了解基本的大脑生物学。研究人员表示，这一研究最终可能有助于回答重要的医学问题并指出新的治疗方法。

“这些发现帮助我们更好地理解为什么人类大脑如此容易受到燃料供应中断或减弱的影响，”威尔康奈尔医学院生物化学和麻醉学生物化学教授蒂莫西·瑞安博士说。资深作者瑞安(Ryan)和合著者卡米拉·普利多(CamilaPulido)博士在一篇题为“突触小泡池是神经末梢的主要隐藏静息代谢负担”的论文中报告了他们的研究，其中他们得出结论：“我们的研究结果强调了为什么神经终端很容易受到代谢损害，因为除了根据活动来调节ATP产生外，它们还必须不断满足大量的局部代谢负担。”

作者写道，大脑是一个“代谢脆弱”的器官，中断其葡萄糖燃料和氧气的供应会迅速降低认知功能，并导致“严重的神经损伤”。研究小组继续说道：“人类大脑在燃料供应方面的安全系数通常非常小，因此当血糖水平仅下降约2倍时，就会出现严重的神经系统后果。”但他们指出，大脑的能量消耗也非常昂贵，据估计，与平均组织相比，每单位重量消耗的能量约为8-10倍。事实上，科学家指出，虽然大脑消耗了人体燃料摄入量的约20%，但它只占身体质量的约2-2.5%。

令人费解的是，即使大脑的神经元没有相互发射神经递质信号，大脑仍然是一个耗油大户。大脑即使在相对休息时也会消耗大量能量的观察可以追溯到几十年前对昏迷和植物人状态下大脑燃料使用的研究。这些研究发现，即使在这些极度不活跃的状态下，大脑对葡萄糖的消耗通常只比正常情况下降一半左右，这仍然使大脑相对于其他器官来说是一个高能量消耗者。静息能量消耗的来源从未被完全了解。

瑞安实验室近年来表明，突触末梢(神经元上发射神经递质的芽状生长)在活跃时是能量的主要消耗者，并且对其燃料供应的任何中断都非常敏感。在他们新报告的研究中，瑞安和普利多检查了不活跃的突触末梢的燃料使用情况，发现它仍然很高。他们写道：“为了确定神经末梢代谢脆弱性是否可能是由局部基础代谢率驱动的，我们设计了实验来表征这个参数并揭示其分子基础。”

他们发现突触小泡(SV)是不活跃神经元能量消耗的主要来源。神经元使用这些囊泡作为神经递质分子的容器，它们从突触末端发射并向其他神经元发出信号。将神经递质装入囊泡是一个消耗化学能的过程，研究人员发现，从能量角度来看，这个过程本质上是泄漏的——泄漏如此之大，以至于即使囊泡被填充且突触末端不活跃，它也会继续消耗大量能量。

他们发现，这种高水平的静息状态燃料消耗主要是由突触末端的囊泡池造成的。在突触不活动期间，每个囊泡都充满了数千个神经递质，并准备好将这些信号携带的有效负载穿过突触发送到伙伴神经元。

那么为什么突触小泡即使满载也会消耗能量呢?研究人员发现，囊泡膜本质上存在能量泄漏，即“质子外流”，因此囊泡中的特殊质子泵酶必须继续工作，并在工作过程中消耗燃料，即使囊泡处于静止状态。已经充满了神经递质分子。“……我们表明，神经末梢具有较高的静息代谢能量需求，与电活动无关，并且SV池是该隔室中基础能量消耗的主要来源……”他们写道。“我们证明，这种基础代谢源自SV驻留液泡型ATP酶(V-ATP酶)，补偿了先前未知的从SV腔中恒定的H+流出。”

实验指出，一种称为转运蛋白的蛋白质可能是质子泄漏的来源。转运蛋白通常将神经递质带入囊泡，改变形状以携带神经递质进入，但同时允许质子逸出，因为它们这样做。“我们表明，这种稳态H+流出(i)由囊泡神经递质转运蛋白介导，(ii)独立于SV周期，(iii)占静息突触能量消耗的44%，(iv)很大程度上导致神经末梢对燃料缺乏的不耐受，”该团队表示。

瑞安推测，这种转运体形状转变的能量阈值在进化过程中被设定得很低，以便在突触活动期间能够更快地重新加载神经递质，从而加快思考和行动的速度。他说：“更快的加载能力的缺点是，即使是随机的热波动也可能触发转运蛋白的形状变化，即使没有加载神经递质，也会导致持续的能量消耗。”

瑞安继续说道，尽管每个囊泡的泄漏量很小，但人脑中至少有数百万亿个突触囊泡，因此能量消耗确实会增加。“如果我们有一种方法可以安全地降低这种能量消耗，从而减缓大脑新陈代谢，那么它可能会在临床上产生非常大的影响。”

作者总结道：“我们的研究为神经末梢对代谢损害如此敏感的原因提供了令人信服的解释，反过来也可能解释为什么脑组织总体上具有比其他组织高得多的静息代谢率。”。“这些数据对于如何实现大脑突触之间的能量平衡以及由于这些SV池产生的总负荷而导致不同的神经元群是否比其他神经元群更容易受到突触前代谢损害具有深远的影响。”

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标签：大脑燃料能量