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《自然》:他们用一个烧脑的实验,直击了烧脑的全过程

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神经现实 2021-05-16 23:25
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文献:Mann, K., Deny, S., Ganguli, S. et al. Coupling of activity, metabolism and behaviour across the Drosophila brain. Nature 593, 244–248 (2021).

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03497-0

作者:Veronica | 封面:José Augusto Hykavy

大脑占我们体重的2%左右,但每天却消耗全身25%的能量,简直是一个行走的能量反应堆。科学家们常常用各种直接和间接的方法测量大脑的神经活性。像检测神经元放电的电流强度,或者观测钙信号发放,这些是直接检测神经元发放的方法。而间接检测的有使用功能性磁共振(fMRI)测量血氧浓度,用正电子断层扫描(PET)来观测葡萄糖代谢等,这些则是通过检测大脑的代谢来反应神经活性。但是神经活动和能量代谢到底是什么关系呢?它们在时空上是怎样相互联系的呢这么多年科学界都没有一锤定音的答案。因为要解决这个问题,必须要通过一个实验能同时检测两者的动态才行,首先在技术上就很难实现。

怎么样,听起来就很烧脑是不是?好在来自斯坦福大学的Claudinin团队“自烧自脑”解决了这个问题。先插一个题外话,不知道读者还记不记得生物化学老师教过的噩梦般的糖酵解过程和三羧酸循环?葡萄糖通过糖酵解反应生成丙酮酸,丙酮酸脱羧变成乙酰辅酶A,乙酰辅酶A就是进入三羧酸循环的开始(反正小编从来算不出这中间到底释放了几个ATP)。而这群来自斯坦福的作者一定是生化满分的学霸:他们利用了丙酮酸和ATP反应能量变化的特性,在果蝇的大脑中加入了两种能量感受器:Pyronic来检测细胞内的丙酮酸含量,iATPSnFR来检测细胞内ATP的浓度。与此同时,他们还通过钙成像的方法检测着神经元的钙发放信号(GCaMP6和jRGECO1a),这样一来,同时观察神经能量变化和放电情况的第一个小目标就达成了。


第一个发现是,他们证明了神经元的能量变化和钙信号发放确实是高度相关的。不论在单细胞层面,还是在全脑层面,都可以看到三者呈现相似的脑活动图像。尤其是如果只看低频率的信号的话,三者的相关性则更高。

- Mann et al., Nature -


但是,相关性存在是不是代表因果关系成立呢?换句话说,神经元的放电,是不是导致能量变化的原因?研究者通过两个实验,直接实锤了能量代谢是神经放电产物的这一结论

首先,他们利用TTX毒素来阻断神经元的放电活动,果然发现TTX不仅降低了钙信号,更是让丙酮酸感受器和ATP感受器的读数大大减少了。反过来,如果利用光遗传技术快速激发一小块区域神经元的放电活动,他们则发现光刺激神经元能够让细胞内的钙信号和ATP浓度都迅速上升。唯一不同的是,钙信号上升得快衰减得也快(大约3s),而ATP浓度则衰减得更慢(大约45s),似乎神经活性能让ATP浓度保持很长的时间,久久地不愿离开。

- Mann et al., Nature -

但是,烧脑太久除了能够燃烧一点卡路里以外,也有它不好的地方,比如时间精度就远不如钙信号发放了。为了证明这一点,研究者分别观察了果蝇在运动腿时钙信号和ATP浓度信号变化,他们试图通过采集的数据来解码果蝇是否有“动手动脚”的动作。果然这一次ATP浓度的数据就占下风了,虽然比瞎猜稍稍好一点,ATP预测果蝇动作的正确率远低于钙信号数据的表现,尤其在高频率快速动作时表现更糟糕。这也说明,如果要观察短时间快速的神经活性,相比于基于能量变化的方法比如fMRI、PET等,钙信号成像或许是更好的选择

- Mann et al., Nature -

最后想友情提醒各位读者:虽然用脑会消耗能量,但大脑在静息状态下和努力思考时的能量消耗相差其实并不大。所以想通过烧脑减肥的读者,还是早点放弃这个想法,老老实实地管住嘴迈开腿吧!

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