如何测定神经元消耗的能量

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    [生物通讯]耶鲁大学研究人员发表在同一期美国《国家科学院学报》（Proceedings of the National Academy of Sciences,PNAs)上的两篇文章为如何测定神经元（即脑细胞）执行感知或认知任务时所消耗的能量提供了新思路。

    研究人员利用一个大鼠模型评估了神经元所做的工作以及神经元完成这些工作所消耗的能量。然后研究人员又改变了大脑一个特殊区域神经元的工作量来观察神经元的能量消耗发生怎样的变化。

    “这是我们首次证明，神经元的工作量与它们需要消耗的能量是成正比的。因此，只要你测量神经元消耗的能量就能够直接反映这个神经元所做的工作。”文章的通讯作者、耶鲁大学医学院的诊断放射线学助教Fahmeed Hyder解释说。“这些都是神经科学领域十分重要的问题，在大脑成像技术的辅助下，这些研究结果也有助于未来某些大脑疾病新疗法的产生。”

    大脑中的神经元负责将一个个电信号迅速从一个区域发送至另一区域。科学家通过测量神经元发送信号的速度来估测细胞间是如何进行通讯也就是信号转导的。因此，一个相对可靠的神经元工作测量数据，可以反映出它们发送信号的速度。神经科学家们对于揭开神经元接受一件特殊任务时在所在区域究竟如何活动的谜团一直很有兴趣。

    通过一种校准的功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging ，fMRI)技术来测量局部能量消耗，Hyder 和他的同事可以很好地估计神经元正常情况下在大脑感知区域的工作。为显示大脑的哪些区域在接受特殊任务时出现活动增加的现象，从静止（起始）阶段开始拍摄下fMRI 图像，然后通过图像找出执行任务时发生的变化已成为神经科学家们普遍采用的一种策略。由于局部神经元在执行任务阶段所承担的工作量与静止阶段所承担的工作量不同，因而这项技术有助于通过图像分析定位执行与这一任务有关的功能的神经元回路。

    Hyder说，这种方法假设在起始阶段，大脑局部区域神经元发送电信号是任意的，因此对于信号译码几乎没什么作用。”我们发现这个假设要冒很大的风险，因为当神经元执行任务时，它们并没有在浪费能量。“他说。”它们精确使用所需的能量来完成任务。如果它们获得的能量少了，它们就不能分派到必需的任务。神经元消耗的能量多少完全是与它们所要做的工作匹配的。”

    Hyder表示，这些发现最终将完全改变神经科学家对fMRI 分析数据的看法。“如果他们看到的这些差异都是来自起始阶段的，那么他们就忽视了大脑执行功能所需的总工作量中的一个重要部分。

    在我们的动物实验中，即使我们很好地控制了实验条件，大脑同一区域的起始阶段仍然会有一些轻微变化，而静止阶段大脑神经元的变化并不能完全反映它们所消耗的能量多少。只有神经元消耗的总能量才能反映一个大脑区域的总活性。

    参与这项研究的其他研究人员还包括耶鲁大学的医学研究生Arien Smith；神经学助教Hal Blumenfeld；精神病学研究员Kevin Behar‘诊断放射线学副教授Douglas Rothman；以及诊断放射线学教授Robert Shulman。

消息来源：耶鲁大学

生物通摘译自BIO.COM