一磅一磅，大脑消耗的能量比其他器官多得多，而且令人费解的是，即使它的神经元没有相互发射神经递质或信号，它仍然是一个耗油量大的人。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造成这种能量流失的原因。
在他们于 12 月 3 日发表在《科学进展》杂志上的研究中，他们发现称为突触囊泡的微小胶囊是非活动神经元能量消耗的主要来源。神经元使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信号给其他神经元。
将神经递质装入囊泡是一个消耗化学能的过程，研究人员发现，就能量而言，这个过程本身就存在泄漏——泄漏如此之大，以至于即使在囊泡被填充且突触末梢处于非活动状态时，它仍会继续消耗大量能量。
“这些发现帮助我们更好地理解为什么人脑如此容易受到燃料供应中断或减弱的影响，”资深作者 Timothy Ryan，MS '86，博士说。'89，威尔康奈尔医学院麻醉学生物化学和生物化学教授。
大脑消耗大量能量的观察结果，即使在相对休息时，可以追溯到几十年前对昏迷和植物人状态下大脑燃料使用的研究。这些研究发现，即使在这些极度不活跃的状态下，大脑对葡萄糖的消耗通常也只会比正常情况下降一半左右——这仍然使大脑相对于其他器官来说是一个高能量消耗者。从未完全了解静息能量流失的来源。
瑞安和他的实验室近年来表明，神经元的突触末梢，即它们发射神经递质的芽状生长物，是活跃时能量的主要消耗者，并且对其燃料供应的任何中断都非常敏感。在这项新研究中，他们检查了不活动时突触末梢的燃料使用情况，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，每个囊泡都充满了数千个神经递质，并准备将这些携带信号的有效载荷跨突触发射到伙伴神经元。
为什么突触小泡即使在满载时也会消耗能量?研究人员发现，囊泡膜本质上存在能量泄漏，即“质子外流”，因此囊泡中的一种特殊的“质子泵”酶必须继续工作，并在此过程中消耗燃料，即使在囊泡中已经充满了神经递质分子。
实验指出，称为转运蛋白的蛋白质可能是这种质子泄漏的来源。转运蛋白通常将神经递质带入囊泡中，改变形状以携带神经递质，但同时允许质子逃逸——正如它们所做的那样。瑞安推测，这种转运体形状转变的能量阈值是由进化设定的，以便在突触活动期间更快地重新加载神经递质，从而更快地思考和行动。
“更快加载能力的缺点是，即使是随机的热波动也可能触发转运蛋白的形状转变，即使没有加载神经递质，也会导致这种持续的能量流失，”他说。
瑞安说，虽然每个囊泡的泄漏很小，但人脑中至少有数百万亿个突触囊泡，因此能量消耗真的会加起来。
这一发现是理解大脑基本生物学的重大进展。此外，大脑对燃料供应中断的脆弱性是神经病学的一个主要问题，在许多常见的脑部疾病中已经注意到代谢缺陷，包括阿尔茨海默氏症和帕金森氏症。这一系列调查最终可以帮助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，”瑞安说。
