從記憶儲(chǔ)存、視覺(jué)解析到情緒調(diào)節(jié)……腦所執(zhí)行的一切功能，都依賴于持續(xù)而精密的能量供應(yīng)。提供這些能量的，正是被稱為“細(xì)胞發(fā)電站”的細(xì)胞器——線粒體。
令人驚訝的是，科學(xué)界對(duì)這些微型“能量工廠”在腦中的分布模式、功能差異，以及它們?nèi)绾斡绊懩X健康，仍然了解甚少。例如：腦中到底有多少個(gè)線粒體？它們?cè)诓煌X區(qū)的分布是否均勻？腦中的所有線粒體是否功能都一致？若腦中的線粒體發(fā)生變化，是否會(huì)影響我們的情緒與認(rèn)知，甚至引發(fā)神經(jīng)或精神疾??？
為解答這些關(guān)鍵問(wèn)題，哥倫比亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了全球首個(gè)人腦的線粒體圖譜——MitoBrainMap。新的研究成果發(fā)表剛剛發(fā)表在《自然》雜志上。
從細(xì)胞到整個(gè)腦
長(zhǎng)期以來(lái)，研究者在理解腦的能量方面面臨一個(gè)關(guān)鍵難題：對(duì)線粒體的研究通常聚焦于單個(gè)細(xì)胞的微觀層面，而神經(jīng)影像技術(shù)提供的則是宏觀結(jié)構(gòu)的圖像。兩者之間存在難以連接的“尺度鴻溝”。
為彌合這一差距，研究人員獲取了一塊冷凍的人腦組織（來(lái)自一位54歲、因心臟病去世的捐贈(zèng)者），并將其切割成703個(gè)3×3×3毫米3的立方體，每塊約為一粒沙子的大小，這一分辨率與標(biāo)準(zhǔn)MRI圖像中的“體素”大小相當(dāng)。
被切割成703個(gè)3x3x3毫米3的立方體的人腦組織。（圖/Martin Picard / Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons）
隨后，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了每個(gè)立方體中的線粒體密度及其能量轉(zhuǎn)換能力。從這些數(shù)據(jù)中，研究人員繪制出了整個(gè)腦切片的能量圖譜。接著，他們利用計(jì)算模型將這張圖譜推演至整個(gè)腦。
盡管這種方法屬于技術(shù)上的折中，但它首次為我們呈現(xiàn)出人腦生物能量分布的全景圖像。
腦能量的新發(fā)現(xiàn)
這項(xiàng)繪制工作揭示了多個(gè)令人驚訝的模式。它表明，線粒體在不同腦區(qū)分布顯著不同，不僅在密度上差異明顯，其能量轉(zhuǎn)換效率也不盡相同。例如，腦的灰質(zhì)（主要由神經(jīng)元胞體構(gòu)成）比白質(zhì)（主要由神經(jīng)元軸突構(gòu)成）的線粒體多50%以上，且灰質(zhì)中的線粒體也比白質(zhì)中的線粒體能更有效地產(chǎn)生能量。
這是非常有趣的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗芯€粒體都源自卵母細(xì)胞中的同一個(gè)“母體”，但在發(fā)育過(guò)程中，卻會(huì)根據(jù)不同細(xì)胞的能量需求產(chǎn)生功能性?；?/strong>。
此外，研究還發(fā)現(xiàn)，那些在人類中進(jìn)化較晚、參與復(fù)雜的認(rèn)知功能的腦區(qū)，不僅擁有更密集的線粒體，而且其線粒體的能量轉(zhuǎn)換效率也更高。這些區(qū)域的能耗水平顯著高于進(jìn)化上更原始的腦區(qū)。研究團(tuán)隊(duì)指出，這種差異化的“能量設(shè)計(jì)”，可能為解釋某些神經(jīng)精神疾病提供新線索——這些高耗能區(qū)域在疾病中往往最先受損，如阿爾茨海默病、抑郁癥或注意力障礙等。
下一步研究方向
接下來(lái)，他們的研究重點(diǎn)將圍繞MitoBrainMap展開(kāi)模型驗(yàn)證、擴(kuò)展樣本和實(shí)際應(yīng)用上。當(dāng)前發(fā)布的MitoBrainMap仍是第一版。研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步分析來(lái)自約500個(gè)腦、涵蓋9個(gè)不同腦區(qū)的數(shù)據(jù)，以便更深入地理解線粒體分布與功能在個(gè)體之間的差異性，從而提升圖譜的預(yù)測(cè)精度。
如果得到進(jìn)一步證實(shí)，那么該模型將有望結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的MRI掃描，推算出活體人腦中線粒體的功能特征——這將成為首個(gè)非侵入式評(píng)估人腦線粒體生物能學(xué)的方法。這種方法將使研究人員能夠探究線粒體功能與認(rèn)知能力、腦發(fā)育、疾病狀態(tài)乃至心理狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)。
研究人員指出，能量是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)中經(jīng)常被忽視的維度。若要將健康視為一種能量狀態(tài)，許多問(wèn)題將以全新的方式被提出——比如，腦的自我修復(fù)需要多少能量？飲食會(huì)如何影響線粒體？能量受限是否會(huì)干擾正常腦功能，甚至加速阿爾茨海默病等疾病的發(fā)展？
MitoBrainMap v1.0 是邁向理解腦的能量機(jī)制及其支持我們所有體驗(yàn)的第一步。未來(lái)，我們可能不僅要了解腦“怎么想”，還要理解它“如何供能”。
#參考來(lái)源：
https://www.cuimc.columbia.edu/news/atlas-brains-mitochondria-reveals-high-cognition-areas-supplied-more-energy
https://www.nature.com/articles/d41586-025-00848-z
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08740-6
#圖片來(lái)源：
封面圖&首圖：columiba.edu
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