對人體而言，大腦作為最核心的“信息處理系統(tǒng)”，主導著思維與意識，起到維持記憶和情感等關鍵作用。生命體通過一系列精細復雜的神經活動，“指揮”大腦高效地利用寶貴的生物能量，并以低能耗實現(xiàn)海量信息的并行處理與存儲。這種能量調控機制是超級計算機和人工智能技術爭相模仿的目標，也是當前人類科技尚未企及的巔峰。

思考等腦力鍛煉可以激活神經元線粒體基因轉錄，對抗認知衰老。（浙大供圖）

此外，大腦能量失衡與認知衰老相關的神經退行性疾病密切相關。從科學的角度理解“哺乳類動物大腦如何高效利用能量處理信息”，為模仿甚至超越“生物腦”在漫長進化中獲得的這一能力提供了可能。針對這一重要的前沿神經科學問題，浙江大學醫(yī)學院馬歡教授團隊開展了關于大腦生物能量神經可塑性調控與認知衰老的研究，成果于12月20日刊發(fā)于《科學》雜志。

高效的“信息處理中心”

神經元是神經系統(tǒng)的基本結構和功能單元，是大腦這個“信息處理系統(tǒng)”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(jié)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(xiàn)能量供給至關重要?！闭撐耐ㄓ嵶髡唏R歡說，于是課題組猜想，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呢？

神經活動驅動線粒體基因轉錄

課題組建立小鼠模型，發(fā)現(xiàn)在學習記憶或者人工誘導的神經活動下，在神經元突觸附近的線粒體基因轉錄顯著增加，促進大腦的能量供給。這意味著，在“思考”引發(fā)的神經活動下，物質和能量之間存在一種可以有效協(xié)調轉化的偶聯(lián)機制。

課題組建立小鼠模型，發(fā)現(xiàn)在學習記憶或者人工誘導的神經活動下，在神經元突觸附近的線粒體基因轉錄顯著增加，促進大腦的能量供給。這意味著，在“思考”引發(fā)的神經活動下，物質和能量之間存在一種可以有效協(xié)調轉化的偶聯(lián)機制。

進一步研究表明，神經活動-線粒體基因偶聯(lián)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，鈣調激酶（CaMKIImito）調控下，鈣反應轉錄因子（CREBmito）就會驅動線粒體基因轉錄。

值得注意的是，無論是鈣調激酶還是鈣反應轉錄因子都是參與神經活動-細胞核基因轉錄的關鍵蛋白。這打破了教科書對這兩個“明星”信號分子在神經系統(tǒng)作用位置和調控機制的經典定義，揭示了其功能的多樣性。

“動態(tài)充電”的啟示

生物腦的低能耗信息處理能為制約人工智能發(fā)展的能源問題提供哪些啟示呢？

神經元擁有特殊的極化結構，除了胞體，還有向外生長的樹突和軸突，突觸就位于這些樹突和軸突上。無數遠離神經元胞體的突觸賦予了神經元信息并行處理的能力，但同時也對在突觸附近的局部能量可塑性調控提出了苛刻的要求。

團隊的發(fā)現(xiàn)提示了，不同于傳統(tǒng)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(jié)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(xiàn)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。

“揭示生命體這種基本的信號偶聯(lián)機制，可能是理解大腦可以高效低耗、并行處理復雜信息的關鍵，為當前高速發(fā)展的人工智能在增強信息處理能力的同時減少能耗提供了全新的啟示和發(fā)展方向?！瘪R歡說。

思考讓大腦變“年輕”

現(xiàn)有的研究表明，機體衰老、發(fā)生神經退行性疾病的時候，大腦的認知能力隨之變差。團隊發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，神經活動-線粒體基因偶聯(lián)也相應變弱。

“因此，我們推測，是否可以通過提升神經活動-線粒體基因轉錄的效能來改善腦功能和認知衰老？”論文共同第一作者浙江大學醫(yī)學院附屬精神衛(wèi)生中心副研究員李雯雯說，在小鼠大腦進行的轉基因操控支持這種可能性，當小鼠大腦的神經活動-線粒體基因偶聯(lián)被抑制后，許多與衰老相關的神經病理性改變如能量短缺和認知受損都會出現(xiàn)。

在此基礎上，課題組設計了多種新型的靶向分子工具，對神經活動-線粒體基因轉錄進行精準改造和增強。實驗發(fā)現(xiàn)，抑制小鼠的神經活動-線粒體基因偶聯(lián)會導致其學習記憶失能。而如果在2個月的時間內持續(xù)增強這一偶聯(lián)機制，能夠增強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?！崩铞┱f。

《科學》同期刊發(fā)前瞻性評論，指出，“該研究利用令人印象深刻的多學科手段，為理解哺乳類動物大腦線粒體生物學發(fā)生提供了關鍵見解，為對抗衰老和神經退行性疾病提供了全新可能?！?/p>

“整個研究經歷了7年的反復探索和試驗，從推測出機制到出現(xiàn)行為學上的認知能力改善，這些結果讓團隊成員都非常興奮?！瘪R歡說，相關臨床轉化研究和藥物開發(fā)正在進行中，前期結果尤其是針對神經退行性疾病的效果令人鼓舞。

該工作主要由國家自然科學基金重點項目和科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目等資助完成。

相關論文信息：science.org/doi/10.1126/science.adp6547

版權聲明：凡本網注明“來源：中國科學報、科學網、科學新聞雜志”的所有作品，網站轉載，請在正文上方注明來源和作者，且不得對內容作實質性改動；微信公眾號、頭條號等新媒體平臺，轉載請聯(lián)系授權。郵箱：shouquan@stimes.cn。

相關知識

【新華網】“七分飽”可延壽？科學家揭示節(jié)食抗衰機制
如何老當益壯？科學家繪制迄今最完整肌肉衰老圖譜—新聞—科學網
“七分飽”可延壽？科學家揭示節(jié)食抗衰機制
Nature：新研究揭示抗衰老靶點
科學家推進“健康”分娩研究和實踐—新聞—科學網
科學家聯(lián)合揭示孕期糖尿病遺傳密碼—新聞—科學網
人的一生為何有兩次“斷崖式”衰老？—新聞—科學網
科學家挑戰(zhàn)節(jié)食如何延長壽命的傳統(tǒng)觀念—新聞—科學網
科學抗敏助力“敏寶”健康成長—新聞—科學網
科學家稱節(jié)食或可抵抗疾病減緩衰老—論文—科學網

網址: 多思考，抗衰老！中國科學家新研究解析大腦節(jié)能機制—新聞—科學網 http://www.u1s5d6.cn/newsview730118.html