大脑也会流失:为什么神经元即使在休息时也会消耗如此多的能量

【字体: 时间:2021年12月06日 来源:Science Advances

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  与其他器官相比,大脑消耗的能量要多得多。令人费解的是,即使大脑的神经元不再向彼此发送称为神经递质的信号,大脑仍然是一个耗油大器。现在,威尔康奈尔医学院的研究人员发现,包装神经递质的过程可能是这种能量消耗的原因。

  

与其他器官相比,大脑消耗的能量要多得多。令人费解的是,即使大脑的神经元不再向彼此发送称为神经递质的信号,大脑仍然是一个耗油大器。现在,威尔康奈尔医学院的研究人员发现,包装神经递质的过程可能是这种能量消耗的原因。

在他们12月3日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的研究中,他们发现被称为突触囊泡的微小胶囊是不活跃神经元消耗能量的主要来源。神经元利用这些囊泡作为其神经递质分子的容器,它们从称为突触终端的通信端口发射神经递质分子,向其他神经元发出信号。将神经递质填充到小泡中是一个消耗化学能量的过程,研究人员发现,这个过程,从能量角度来说,本质上是泄漏的,即使小泡充满了,突触末端不活跃,它仍然继续消耗大量的能量。

“这些发现帮助我们更好地理解为什么人类大脑在燃料供应中断或减弱时如此脆弱,”资深作者蒂莫西·瑞安博士说,他是威尔康奈尔医学院生物化学和麻醉学生物化学教授。

关于大脑即使在相对休息的时候也会消耗大量能量的观察,可以追溯到几十年前对大脑在昏迷和植物人状态下燃料消耗的研究。这些研究发现,即使在这种极度不活跃的状态下,大脑对葡萄糖的消耗通常也只比正常水平下降一半左右,这使得大脑相对于其他器官来说仍然是一个高能量消耗者。这种静止能量消耗的来源从未被完全了解。

瑞安博士和他的实验室近年来的研究表明,神经元的突触终端(神经元发出神经递质的芽状生长物)在活跃时是能量的主要消耗者,对燃料供应的任何中断都非常敏感。在这项新研究中,他们检测了突触终端不活动时的燃料消耗,发现它仍然很高。

他们发现,这种高静息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,每个囊泡都满载着成千上万的神经递质,并准备好通过突触将这些携带信号的有效载荷发射到伙伴神经元。

为什么突触囊泡即使满载也要消耗能量?研究人员发现,本质上是一个有能量的泄漏泡膜,一个“质子流出,”这样一个特殊的“质子泵”酶泡继续工作,和消耗燃料,因此,即使泡已经充满了神经递质分子。

实验指出被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送入囊泡,通过改变形状将神经递质送入囊泡,但同时也允许质子逃逸。瑞安博士推测,这种转运体形态变化的能量阈值是由于进化而降低的,以使神经递质在突触活动中更快地重新加载,从而更快地思考和行动。

“快速加载能力的缺点是,即使是随机的热波动也会触发转运体的形状变化,导致这种持续的能量消耗,即使没有加载神经递质,”他说。

瑞安博士说,虽然每个囊泡的泄漏量很小,但人类大脑中至少有数百万亿个突触囊泡,所以能量消耗会累积起来。

这一发现是理解大脑基本生物学的重大进展。此外,大脑易受燃料供应中断的影响是神经学的一个主要问题,代谢缺陷已在许多常见的大脑疾病中被注意到,包括阿尔茨海默病和帕金森病。这条研究路线最终可能有助于解决重要的医学难题,并提出新的治疗方法。

“如果我们有办法安全地降低这种能量消耗,从而减缓大脑新陈代谢,它在临床上可能会非常有影响,”瑞安博士说。

10.1126/sciadv.abi9027

Synaptic vesicle pools are a major hidden resting metabolic burden of nerve terminals


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