浙江大學醫學院教授馬歡團隊圍繞大腦生物能量神經可塑性調控與認知衰老開展了研究。相關成果12月20日發表于《科學》。
神經元是神經系統的基本結構和功能單元，是大腦這個“信息處理系統”的“信息傳遞網”，構建起復雜的神經網絡。其中，有傳遞信息的“關鍵樞紐”——突觸，以及生命體專屬“供電站”——線粒體。
在大腦處理和存儲信息的過程中，神經活動調控位于細胞核的基因轉錄，合成新的基因和蛋白。這一精妙的過程是神經元之間的連接強度可塑性調節的分子基礎，也被認為是學習記憶等認知功能的關鍵步驟。
“以往的研究多聚焦于細胞核，而線粒體是細胞核以外唯一擁有自身基因組的細胞器，它的基因轉錄對于線粒體實現能量供給至關重要。”論文通訊作者馬歡說。于是團隊猜想：在信息處理過程中，神經活動是否會像調控細胞核基因轉錄一樣，也調控線粒體基因轉錄？
為此，研究團隊建立了小鼠模型，發現在學習記憶或者人工誘導的神經活動下，神經元突觸附近的線粒體基因轉錄顯著增加，促進大腦能量供給。這意味著在“思考”引發的神經活動下，物質和能量之間存在一種可以有效協調轉化的偶聯機制。
進一步的研究表明，神經活動-線粒體基因偶聯極大依賴于神經活動誘導的線粒體鈣離子內流。一旦線粒體內鈣離子濃度上升，在鈣調激酶調控下，鈣反應轉錄因子就會驅動線粒體基因轉錄。
研究發現，不同于傳統計算機的整體供能方式，哺乳類動物大腦采用了一種獨特的“按需供能”策略，即在每個突觸（數據節點）附近布置可被神經活動（信息處理）調控的線粒體“能量包”。信息處理過程中，線粒體通過突觸活動驅動其基因轉錄和蛋白合成，實現神經元在信息交互的突觸附近“局部”能量供給的可塑性調控。
此外，現有的研究表明，機體衰老、發生神經退行性疾病的時候，大腦的認知能力隨之變差。研究團隊發現，在這種情況下，神經活動-線粒體基因偶聯也相應變弱，并提出是否可以通過提升神經活動-線粒體基因轉錄的效能改善腦功能和認知衰老。
研究團隊在小鼠大腦進行的轉基因操控支持了這種可能性。當小鼠大腦的神經活動-線粒體基因偶聯被抑制后，許多與衰老相關的神經病理性改變，例如能量短缺和認知受損都會出現。
在此基礎上，研究團隊設計了多種新型靶向分子工具，對神經活動-線粒體基因轉錄進行精準改造和增強。實驗發現，抑制小鼠的神經活動-線粒體基因偶聯會導致其學習記憶失能。而如果在兩個月內持續增強這一偶聯機制，就能夠提高學習記憶過程中線粒體基因表達水平，提升大腦的生物能量，并在個體水平上顯著改善小鼠大腦的認知功能。“這為‘多思考’抗大腦‘衰老’提供了一定的理論依據。”論文第一作者、浙江大學醫學院附屬精神衛生中心副研究員李雯雯說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adp6547
浙江大學醫學院教授馬歡團隊圍繞大腦生物能量神經可塑性調控與認知衰老開展了研究。相關成果12月20日發表于《科學》。
神經元是神經系統的基本結構和功能單元，是大腦這個“信息處理系統”的“信息傳遞網”，構建起復雜的神經網絡。其中，有傳遞信息的“關鍵樞紐”——突觸，以及生命體專屬“供電站”——線粒體。
在大腦處理和存儲信息的過程中，神經活動調控位于細胞核的基因轉錄，合成新的基因和蛋白。這一精妙的過程是神經元之間的連接強度可塑性調節的分子基礎，也被認為是學習記憶等認知功能的關鍵步驟。
“以往的研究多聚焦于細胞核，而線粒體是細胞核以外唯一擁有自身基因組的細胞器，它的基因轉錄對于線粒體實現能量供給至關重要。”論文通訊作者馬歡說。于是團隊猜想：在信息處理過程中，神經活動是否會像調控細胞核基因轉錄一樣，也調控線粒體基因轉錄？
為此，研究團隊建立了小鼠模型，發現在學習記憶或者人工誘導的神經活動下，神經元突觸附近的線粒體基因轉錄顯著增加，促進大腦能量供給。這意味著在“思考”引發的神經活動下，物質和能量之間存在一種可以有效協調轉化的偶聯機制。
進一步的研究表明，神經活動-線粒體基因偶聯極大依賴于神經活動誘導的線粒體鈣離子內流。一旦線粒體內鈣離子濃度上升，在鈣調激酶調控下，鈣反應轉錄因子就會驅動線粒體基因轉錄。
研究發現，不同于傳統計算機的整體供能方式，哺乳類動物大腦采用了一種獨特的“按需供能”策略，即在每個突觸（數據節點）附近布置可被神經活動（信息處理）調控的線粒體“能量包”。信息處理過程中，線粒體通過突觸活動驅動其基因轉錄和蛋白合成，實現神經元在信息交互的突觸附近“局部”能量供給的可塑性調控。
此外，現有的研究表明，機體衰老、發生神經退行性疾病的時候，大腦的認知能力隨之變差。研究團隊發現，在這種情況下，神經活動-線粒體基因偶聯也相應變弱，并提出是否可以通過提升神經活動-線粒體基因轉錄的效能改善腦功能和認知衰老。
研究團隊在小鼠大腦進行的轉基因操控支持了這種可能性。當小鼠大腦的神經活動-線粒體基因偶聯被抑制后，許多與衰老相關的神經病理性改變，例如能量短缺和認知受損都會出現。
在此基礎上，研究團隊設計了多種新型靶向分子工具，對神經活動-線粒體基因轉錄進行精準改造和增強。實驗發現，抑制小鼠的神經活動-線粒體基因偶聯會導致其學習記憶失能。而如果在兩個月內持續增強這一偶聯機制，就能夠提高學習記憶過程中線粒體基因表達水平，提升大腦的生物能量，并在個體水平上顯著改善小鼠大腦的認知功能。“這為‘多思考’抗大腦‘衰老’提供了一定的理論依據。”論文第一作者、浙江大學醫學院附屬精神衛生中心副研究員李雯雯說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adp6547
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