最新研究揭晓：为什么大脑需要消耗许多能量

北京时间 12 月 14 日消息，据国外媒体报道，目前，最新研究表明，大脑可能是人体"消耗能量最高"的器官，大脑可能持续流失能量，所消耗能量占人体消耗总能量的 20%。

研究人员称，一种叫做囊泡的小囊结构在脑细胞之间传输信息的时候，可能不断地消耗人体能量，该能量消耗很可能是大脑的一种权衡作用，有利于随时激活脑细胞。这项最新研究报告发表在 12 月 3 日出版的《科学进展杂志》上。

该研究报告第一作者蒂莫西・瑞安（Timothy Ryan）说："大脑被认为是人体'消耗能量最高'的器官。"据悉，他是美国纽约市威尔康奈尔医学院一位生物化学教授。

此前科学家认为这种能量消耗与大脑处于电活动状态有关，这意味着脑细胞或者神经元不断发出电信号进行交流，该过程会燃烧大量能量分子，即 5'-三磷酸腺苷（ATP）。

瑞安指出，在过去几十年里，相关临床研究表明，处于植物人或者昏迷状态的大脑（该状态下意味着非常少的脑电活动）仍然消耗大量能量。因此，神经学家们面临着一个难题：为什么脑电活动无法耗尽大脑中所有能量，这是怎么回事呢？

流失能量的囊泡

近年来，蒂莫西和研究同事一直在研究大脑中被称为突触的连接点，突触神经元通过释放充满叫做神经递质的囊泡，进行突触神经元之间接触和交流。

之前他们发现活跃的突触会消耗大量能量，但在一项最新研究中，他们在实验室培养皿中用毒素灭活老鼠神经元突触，然后测量突触内 5'-三磷酸腺苷水平，研究人员结果发现，即使神经元不被激活，突触也会消耗许多能量。

为了寻找其中的原因，他们破坏了囊泡表面各种不同的泵状结构，这些囊泡负责运输和移除神经递质和其他分子，因此该操作就相当于剥夺了突触的动力，随后他们使用荧光显微镜对突触成像，并计算突触燃烧了多少 5'-三磷酸腺苷。

他们发现一种"质子泵"，其负责维持突触的剩余能量，大约是所有能量的 44%，当他们进一步深入研究时，发现质子泵必须持续工作，并燃烧 5'-三磷酸腺苷，因为囊泡一直在流失质子泵。

惰性突触通过预先填充神经递质，随时准备激活这些囊泡，研究人员是在囊泡表面泵结构的帮助下做到这一点，这种类型的泵结构被称为转运蛋白，能够改变形状将神经递质运送到囊泡中，作为交换，它们从囊泡内捕获质子，改变其形状并将质子从囊泡中排出。为了使该过程有效，囊泡内部的质子浓度必须比周围环境更高。

但是研究人员发现，即使囊泡充满了神经递质，转运蛋白的形状仍在继续变化，尽管它们没有向囊泡中运送神经递质，但它们继续喷出质子，这就需要质子泵持续工作，以补充囊泡中质子数量。

瑞安说："所以我们发现了囊泡的低效表现，尽管其泄漏的质子数量很少，但一直处于泄漏状态中，所消耗的能量是很大的，即使大脑没有任何脑电活动，最终也会消耗很多的能量。"

据悉，这些研究是在实验室中对老鼠神经元进行试验的，但是人类和老鼠之间的大脑机制十分相似，因此该研究结论很可能也适用于人类大脑。

目前还不清楚为什么人类大脑会进化形成这种能量泄漏机制，但这种简单的形状改变可能是为了让囊泡能快速地存储神经递质，想象一下，如果你的汽车经常低速高档下行驶，高档下加速多少就浪费相应的燃料，或许让突触处于待命状态下所付出的代价，相当于能量的低效利用。

赖安和研究同事希望这项发现不仅有助于人们对人类大脑的基本理解，而且还有助于临床应用研究，例如：该发现可能更好地理解和治疗某些疾病，在帕金森氏症等疾病中，大脑可能没有足够的能量来制造 5'-三磷酸腺苷。在该情况下，就相当于一辆汽车低速高档运行，如果切断了输油管，真的就会有麻烦了。