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同等重量下，腦組織會比其他器官消耗更多的能量，但是令人困惑的一點是，即便在大腦神經元沒有釋放神經遞質的時候，大腦的能耗仍舊很高。如今，來自Weill Cornell醫學院的研究人員發現，裝載神經遞質的過程可能是導致大腦高水平能量消耗的原因。
研究結果於2021年12月3日發表在《科學·進展》（Science Advances）雜誌上，研究人員發現不活躍的神經元中突觸囊泡消耗了大部分能量。神經元透過在突觸末端向其他神經元釋放神經遞質來傳遞資訊，而神經元的囊泡則能儲存神經遞質分子。向囊泡內裝載神經遞質是一個耗能的過程，而研究人員發現這一過程會洩露能量，即便突觸末端處於靜息狀態而囊泡已完成裝載，神經元仍會消耗大量的能量。
Weill Cornell醫學院的生物化學與麻醉生物化學教授、資深作者Timothy Ryan博士說：“這些發現幫助我們更好地理解為什麼大腦極易受到能量供應中斷或減少的影響。”
大腦靜息狀態高能耗的觀察結果可以追溯到幾十年前針對處在昏迷和植物狀態下的大腦能量消耗的研究。這些研究發現，即便是處於極度不活躍的狀態，大腦的葡萄糖消耗也只下降到了正常水平的一半，與其他器官相比，此時的大腦仍是高能耗器官。靜息狀態下高能量消耗的原因在此前一直是未知的。
Ryan博士和他的實驗室在最近幾年發現，神經元用於釋放神經遞質的芽狀突觸末端在啟用狀態下需要大量的能量，並且對能量供應的波動非常敏感。新研究中，研究人員檢測了靜息狀態下突觸末端的能量消耗情況，並且發現其仍處在高耗能狀態。
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他們發現，靜息狀態時的大量能量消耗主要來源於聚集在突觸末端的囊泡。突觸處於靜息狀態時，每個囊泡裝載著成千上萬的神經遞質，並準備著將它們釋放到突觸間隙中，以便向旁邊的神經元傳遞訊號。
為什麼突觸在完成裝載後仍需耗能？研究人員發現，這主要是因為囊泡膜存在能量洩露的情況，即“質子外流”。即使囊泡已經裝滿了神經遞質分子，囊泡內一種特別的“質子泵”酶仍然會一直工作並且消耗能量。
實驗發現轉運蛋白可能是質子洩露的原因。轉運蛋白透過改變形狀幫助神經遞質進入囊泡，但同時也會造成質子逃逸。Ryan博士推測，生物進化造就了轉運蛋白形變的低能量閾值，從而保證突觸在活躍狀態時神經遞質能夠快速重新裝配，因此才有了人們敏捷的思維和快速的動作。
他說：“快速裝載能力的缺點體現在就算是隨機的熱量波動也能引起轉運蛋白形變，因此即使在不需要裝載神經遞質的時候，神經元也會持續消耗能量。”
Ryan博士說，儘管每個囊泡的能量洩露非常少，但是人體大腦內部存在著幾百萬億的突觸囊泡，因此累計消耗的能量仍十分巨大。
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研究結果帶來了有意義的進展，它能幫助人們更好地理解大腦基礎的生物運作模式。此外，大腦對能量供應波動的敏感性本就是神經學的重大問題之一，而且許多常見的大腦疾病如阿爾茨海默病和帕金森病都伴隨著代謝缺陷。這一系列的研究最終可能幫助人們解決重要的醫學難題並提出新的療法。
Ryan博士說：“如果我們有方法能安全地減少這種能量消耗從而降低大腦的代謝速率，這將對臨床工作產生非常大的影響。”
翻譯：陳振翀
審校：先雨
引進來源：威爾康奈爾醫學院（Weill Cornell Medical College）
本文來自：中國數字科技館
