在过去的三百万年中，人脑的体积增加了大约三倍，从人类谱系中南方古猿的450克大脑扩展到约1400克左右的现代人类大脑；但身体尺寸却没有发生太大变化。

这意味着，大脑成为人体代谢最快的器官，但也是一个代谢脆弱的器官，因为能量的可用性会迅速影响认知功能、神经末梢。一般来说，人脑在能量供应方面有一个非常小的安全阈值，比如：当血糖水平下降约2成时，严重的神经系统后果就会随之而来；再比如：当人脑缺氧四到五分钟时，就可以发生脑死亡。

因此，人脑通常消耗的能量是身体其他部分的10倍，在休息时也会消耗平均20%的能量。即使是那些被称为“脑死亡”的昏迷患者，大脑消耗的能量的状态也依然保持着。

这也是人类神经科学中最大的谜团之一，即为什么一个基本上不活动的器官却仍然需要这么多的能量？

近日，发表在《Science Advances》上的一项研究中，来自美国国立卫生研究院（NIH）的研究人员将答案锁定在隐藏在我们神经元中的一个能量“消耗池”上。

众所周知，当一个神经元与另一个神经元交流时，信息是通过突触之间的间隙传递的。

首先，突触前神经元将一束囊泡发送到其尾部最靠近突触的地方。接下来，这些囊泡从神经元中吸收神经递质，这个作用有点儿像“信封”，里面装着需要邮寄的信。

然后，这些 "信件 "被运送到神经元的边缘，它们在那里会与细胞膜融合，将神经递质释放到突触间隙中。一旦到达“目的地”，神经递质会与突触后神经元上的受体相连，从而继续它们的工作——传递信息。

这个基本过程的步骤已被证实需要大量的大脑能量，特别是当涉及到囊泡融合时。由于最靠近突触的神经末梢不能储存足够的能量分子，这意味着它们必须自己合成能量分子，以便在大脑中传递电信息。

因此，一个活跃的大脑消耗大量的能量是有道理的。但是，当神经发射进入静息状态，即囊泡未与细胞膜融合时，这个系统会发生什么？大脑还会继续耗费能量吗？

为了弄清楚这个问题，研究人员设计了几个神经末梢实验，以比较突触活跃和不活跃时的代谢状态。

他们发现，即使在神经末梢不放电时，突触囊泡池也有很高的代谢能量需求。负责将囊泡质子推出池外并吸入神经递质的囊泡质子泵似乎永远不会停歇，因此，它需要源源不断的能量才能工作。

研究人员还发现，这个隐藏的泵负责了静息突触一半的代谢消耗。

令人意外的是，由于这个泵是漏的。因此，即使突触囊泡池中已经充满了神经递质，而且神经元处于静息状态，突触囊泡池也会不断地通过泵排出质子。

考虑到人类大脑中有大量的突触，每个神经末梢上都有数百个突触囊泡，快速返回“准备”状态的突触所隐藏的代谢成本是以能量消耗为代价的，这很可能大大增加了大脑的代谢需求和代谢的脆弱性。

研究人员表示，需要进一步的研究来收集不同类型的神经元如何受到如此高代谢负担的影响，因为它们可能以不同的方式作出反应。

威尔康奈尔医学院的生物化学家Timothy Ryan评论道：“这些发现可以帮助我们更好地理解为什么人脑对能量供应的中断如此脆弱。如果我们有办法安全地降低这种能量消耗，从而减缓大脑代谢，这在临床上将是非常重要的影响。"

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9027

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