圖片素材來源：Josh Riemer

人腦消耗的能量是身體其他部位的 10 倍，即使是休息時仍平均消耗 20% 的能量。這是人類神經科學的一大謎團：為何一個在休息時不活躍的器官仍然需要如此大的能量？上周刊於《科學進展》的研究指，答案隱藏在神經元 (neuron) 中。

當一個腦細胞將訊號傳至另一個神經元時，需要通過突觸 (synapse) 或當中的小間隙來將訊號傳遞。

突觸前神經元(presynaptic neuron) 會將大量稱為突觸小泡 (synaptic vesicle) 的泡囊送到接近另一神經元的末端。突觸小泡會從神經元吸入神經遞質，並在到達神經元末端最邊緣時打開釋出當中的神經遞質至突觸間隙中。間隙中的神經遞質連接到突觸後 (postsynaptic) 細胞膜的受體，從而繼續傳遞信息。

現時已知，上述的過程需要消耗大量大腦能量，尤其是在突觸小泡釋出神經遞質時；而最靠近突觸後的位置不能儲存足夠的能量分子，代表突觸小泡必須自己合成能量才能在大腦中傳導帶電訊息。

因此，活躍的大腦消耗大量能量是可理解的，但當休息時神經元減少活動為何大腦仍會繼續消耗大量能量？

為了弄清楚這一點，美國康奈爾醫學院的團隊比較了活躍和不活躍突觸的代謝狀態。即使神經元末端無放電，團隊仍發現突觸小泡具有很高的代謝能量需求。

負責將質子 (proton) 推出小泡，從而吸入神經遞質的泵似乎永遠不會停止，而這個泵需要源源不斷的能量才能工作。在實驗中，團隊更發現這個泵佔休息突觸代謝消耗的一半。

團隊解釋，即使突觸小泡已充滿了神經遞質，並且神經元處於非活動狀態，也會不斷地通過泵釋放質子，以令突觸快速返回到「就緒」狀態，準備傳遞訊號，代價則是不斷消耗能量，顯著影響大腦的代謝需求和代謝脆弱性。

團隊需要進一步研究，了解不同類型的神經元如何受到如此高的代謝負擔影響，因為各類神經元可能不會以相同的方式作出反應。

參與研究的康奈爾醫學院生物化學家 Timothy Ryan 表示，發現如果人類有辦法安全地降低這種能量消耗，從而減緩大腦新陳代謝，在臨床上可能有多方面的應用。

來源：
Science Alert, Scientists Have Finally Discovered Why The Brain Consumes So Much Energy, Even at Rest, 3 December 2021

報告：
Pulido, C. & Ryan, T.A. (2021). Synaptic vesicle pools are a major hidden resting metabolic burden of nerve terminals. Science Advances vol7, no.49. doi: 10.1126/sciadv.abi9027

文／Alan Chiu