PNAS：新技术检测到了给大脑供电的能量如何在单个细胞内分配

　　

利用一种被称为HYlight的新型生物传感器——一种荧光成像技术——研究人员能够监测和绘制秀丽隐杆线虫(一种线虫)的单个神经元在不同时间和不同条件下的代谢活动。

生命有机体中的每一个系统都依赖于有限的能量供应来运作。在人类中，没有比大脑更耗能的器官了，大脑消耗了人体约20%的代谢能量。

但是能量是如何在神经系统中分配以保证其功能的呢?在一项新的研究中，耶鲁大学的科学家们揭开了部分谜团。利用一种新型的生物传感器，他们能够绘制出一种生物体——秀丽隐杆线虫的单细胞能量代谢图。

这项技术是由耶鲁大学的科学家开发的，它使研究人员能够绘制出能量在细胞间分布的“景观”——甚至在单个神经元内。

他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

长期以来，科学家们一直对与人体能量代谢有关的问题感兴趣，从能量如何以生物化学方式产生到能量如何在整个生物体(包括大脑)中分布。

在过去的研究中，功能性核磁共振成像等神经成像技术表明，大脑中的能量分布会随着大脑不同的活动状态而变化，而大脑活动状态是思维和认知的基础。但这些技术缺乏了解神经系统中单个细胞内能量代谢如何分布所需的细胞分辨率。

“众所周知，能量的产生在整个大脑中并不是均匀分布的，但它到底在哪里发生呢?它的分布如何影响神经系统的功能?”耶鲁大学医学院神经科学博士后、该研究的主要作者Aaron Wolfe说。“正是这些问题推动了这项研究。”

为了回答这些问题，耶鲁大学的研究小组由Wolfe和Dorys McConnell Duberg神经科学和细胞生物学教授，也是共同通讯作者Daniel Colón-Ramos领导，使用一种名为HYlight的生物传感器来研究不同条件下秀丽隐杆线虫单个神经元内的代谢活动。

这种生物传感器最初是由Richard Goodman领导的一个研究小组开发的，他曾是Vollum研究所的教员，现在是Colón-Ramos实验室的副研究员。

研究人员发现，能量在特定细胞之间的分布是不同的，并映射到单个神经元的身份。他们说，这种不平等的分布形成了“能量景观”，可能会影响信息在神经元中流动的方式，并可能影响行为。

“能量是赋予生命活力的力量。在神经系统的背景下，它激活了思想和行为，”Colón-Ramos说。“能量是通过特定的代谢反应产生的，我们现在可以追踪活体动物的代谢反应。“可视化这种能量代谢使我们现在能够了解它的分布如何在健康、疾病和衰老中限制神经系统功能。”

Wolfe补充说:“通过了解细胞水平上的能量产生，我们可以帮助准确地确定缺陷是如何产生的，从而损害神经元功能。”

例如，研究人员发现能量不仅分布在不同的细胞之间，而且也分布在细胞的隔室内。

“在神经元中，我们的发现表明这种分布发生在突触附近，突触是神经元用来相互交流的结构，”Wolfe说。“突触连接的地图是存在的，现在我们可以为动物表现行为时的能量分布绘制新的地图。”

耶鲁大学提供