浙江大学医学院教授马欢团队围绕大脑生物能量神经可塑性调控与认知衰老开展了研究。相关成果12月20日发表于《科学》。
神经元是神经系统的基本结构和功能单元，是大脑这个“信息处理系统”的“信息传递网”，构建起复杂的神经网络。其中，有传递信息的“关键枢纽”——突触，以及生命体专属“供电站”——线粒体。
在大脑处理和存储信息的过程中，神经活动调控位于细胞核的基因转录，合成新的基因和蛋白。这一精妙的过程是神经元之间的连接强度可塑性调节的分子基础，也被认为是学习记忆等认知功能的关键步骤。
“以往的研究多聚焦于细胞核，而线粒体是细胞核以外唯一拥有自身基因组的细胞器，它的基因转录对于线粒体实现能量供给至关重要。”论文通讯作者马欢说。于是团队猜想：在信息处理过程中，神经活动是否会像调控细胞核基因转录一样，也调控线粒体基因转录？
为此，研究团队建立了小鼠模型，发现在学习记忆或者人工诱导的神经活动下，神经元突触附近的线粒体基因转录显著增加，促进大脑能量供给。这意味着在“思考”引发的神经活动下，物质和能量之间存在一种可以有效协调转化的偶联机制。
进一步的研究表明，神经活动-线粒体基因偶联极大依赖于神经活动诱导的线粒体钙离子内流。一旦线粒体内钙离子浓度上升，在钙调激酶调控下，钙反应转录因子就会驱动线粒体基因转录。
研究发现，不同于传统计算机的整体供能方式，哺乳类动物大脑采用了一种独特的“按需供能”策略，即在每个突触（数据节点）附近布置可被神经活动（信息处理）调控的线粒体“能量包”。信息处理过程中，线粒体通过突触活动驱动其基因转录和蛋白合成，实现神经元在信息交互的突触附近“局部”能量供给的可塑性调控。
此外，现有的研究表明，机体衰老、发生神经退行性疾病的时候，大脑的认知能力随之变差。研究团队发现，在这种情况下，神经活动-线粒体基因偶联也相应变弱，并提出是否可以通过提升神经活动-线粒体基因转录的效能改善脑功能和认知衰老。
研究团队在小鼠大脑进行的转基因操控支持了这种可能性。当小鼠大脑的神经活动-线粒体基因偶联被抑制后，许多与衰老相关的神经病理性改变，例如能量短缺和认知受损都会出现。
在此基础上，研究团队设计了多种新型靶向分子工具，对神经活动-线粒体基因转录进行精准改造和增强。实验发现，抑制小鼠的神经活动-线粒体基因偶联会导致其学习记忆失能。而如果在两个月内持续增强这一偶联机制，就能够提高学习记忆过程中线粒体基因表达水平，提升大脑的生物能量，并在个体水平上显著改善小鼠大脑的认知功能。“这为‘多思考’抗大脑‘衰老’提供了一定的理论依据。”论文第一作者、浙江大学医学院附属精神卫生中心副研究员李雯雯说。
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