勤奋思考，抗衰老！浙江大学团队科学分析大脑节能机制

原创 奋发有为的 浙江大学

对于人体来说，大脑无疑是最核心的“数据分析系统”，主导思维和概念，起到保持记忆和情绪的关键作用。通过一系列精细复杂的神经活动，有机体“指挥”大脑有效利用宝贵的生物能量，并以节能的方式实现海量数据的并行计算和存储。这种能量控制机制是超级计算机和人工智能技术模仿的目标，也是人类技术尚未达到的高峰。

另外，大脑能量紊乱与认知衰老有关的神经退行性疾病密切相关。从科学的角度来看，“哺乳动物大脑如何高效利用能量处理数据”提供了模仿甚至超越“生物大脑”在漫长进化中获得的能力的可能性。针对这一重要的前沿神经科学问题，浙江大学医学院马欢教授团队在北京时间2024年12月20日开展了大脑生物能量神经可塑性调节和认知衰老研究，题为“科学”的《科学》发表了Boosting neuronal activity-driven mitochondrial DNA transcription improves cognition in aged mice”的文章。

高效率的“信息处理中心”

神经元是神经系统的基本结构和功能模块，是大脑“数据分析系统”的“信息传递网络”，构建了一个复杂的神经网络。其中，有“关键枢纽”——突触传递信息，有机体专属“供电站”——线粒体。

神经活动控制位于细胞核的基因转录，在大脑处理和存储信息的过程中产生新的基因和蛋白质，这是神经元之间连接强度可塑性调节的分子基础，也被认为是学习记忆等认知功能的关键一步。

“过去的研究大多集中在细胞核上，而线粒体是细胞核之外唯一拥有自己基因组的细胞器。其基因转录对实现线粒体能量供应尤为重要。”马欢说，因此，研究小组猜测，在信息处理过程中，神经活动是否会像调节细胞核基因转录一样调节线粒体基因转录？

神经活动驱动线粒体基因转录

研究小组建立了小鼠模型，发现在神经元突触附近的线粒体基因转录明显增加，在学习记忆或人工诱导的神经活动下促进大脑能量供应。这意味着，在“思维”引起的神经活动下，物质和能量之间有一种可以有效协调转换的偶联机制。

进一步研究发现，神经活动-线粒体基因偶联极大地依赖于线粒体钙离子的内流，这是由神经活动引起的。一旦线粒体中的钙离子浓度增加，钙调激酶（CaMKIImito）在调控下，钙反应转录因子（CREBmito）然后就会驱动线粒体基因转录。

值得注意的是，钙调激酶和钙反应转录因子都是参与神经活动-细胞核基因转录的关键蛋白质。这打破了神经系统中这两个“明星”信号分子的作用位置和调节机制的经典定义，揭示了其功能的多样性。

随着衰老的减弱，神经活动驱动的线粒体钙信号

启发了“动态充电”

生物学大脑的节能信息处理可以为制约人工智能发展的能源问题提供什么启示？

神经元具有特殊的极化结构。除了胞体，还有向外生长的树突和轴突。突触位于这些树突和轴突上。无数远离神经元的突触赋予了神经元信息并行计算的能力，但也对突触附近的局部能量可塑性调节提出了严格的要求。

团队的发现表明，哺乳动物大脑不同于传统计算机的整体供能方式，采用了一种独特的“按需供能”策略，即可以通过神经活动(信息处理)调节的线粒体“能量包”布局在每个突触(数据节点)周围。在信息处理过程中，线粒体通过突触活动驱动其基因转录和蛋白质合成，从而实现神经元在信息交互突触周围“局部”能量供应的可塑性控制。

“揭示有机体的基本信号连接机制可能是了解大脑能够高效、低消耗、并行计算复杂信息的关键，为快速发展的人工智能提供了全新的启发和发展方向，同时增强了信息处理能力，降低了能耗。”马欢说。

团队成员马欢

思考使大脑“年轻”

目前的研究表明，当身体老化和神经衰退时，大脑思维能力下降。团队发现，在这种情况下，神经活动-线粒体基因偶联也减弱了。

“因此，我们推断大脑功能和认知衰老是否可以通过提高神经活动——线粒体基因转录的效率来改变？”论文共同的第一作者和副研究员李雯雯表示，转基因控制支持这种可能性是在鼠标大脑中进行的。当鼠标大脑神经活动——线粒体基因偶联被抑制时，会发生许多与衰老相关的神经病理变化，如能量短缺和认知损伤。

研究小组在此基础上，制定了多种新型靶向分子工具，准确改造和增强神经活动-线粒体基因转录。实验表明，抑制小鼠的神经活动——线粒体基因偶联会导致其学习记忆障碍。如果这种偶联机制在2个月内持续增强，可以增强线粒体基因在学习记忆过程中的表达水平，提高大脑的生物能量，显著提高小鼠大脑的个人认知功能。他说：“这为‘勤思考’抗脑‘衰老’提供了一定的理论依据。”李雯雯说。

图表：思考等脑力锻炼能激活神经元线粒体基因转录，抵抗认知衰老。

《科学》同期发表的前瞻性评论指出:“这项研究采用了令人印象深刻的多学科方法，为理解哺乳动物大脑线粒体生物学的发生提供了关键意见，为抗衰老和神经退行性疾病提供了新的可能性。”

“整个研究经历了7年的反复探索和实验，从推测机制到行为思维能力的提高，让团队成员非常兴奋。”马欢说，临床转化研究和药物开发正在进行中，早期结果，尤其是神经退行性疾病，令人鼓舞。

浙江大学医学院附属精神卫生中心副研究员李雯雯和浙江大学医学院博士生李加瑞是第一位论文作者，马欢是唯一的通讯作者。除了胡海岚教授、李涛教授等论文的共同作者外，这项研究还得到了段树民教授、陈解教授等科学家的支持和帮助。这项工作主要由国家自然科学基金重点项目和科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重点项目完成。

原标题:“勤思考，抗衰老！浙江大学团队科学分析大脑节能机制

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