Non-signalling energy use in the developing rat brain

發(fā)育中大鼠大腦的非信號能量使用

來源：Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, Volume 37, Issue 3, 2017, Pages 951-966

《腦血流與代謝雜志》，第37卷第3期，2017年，第951-966頁

 

摘要

這篇論文的摘要討論了大腦能量使用如何限制信息處理能力，但只有約一半的能量消耗直接與信息處理相關(guān)。非信號過程的能量消耗證據(jù)不足。本研究首次使用單一方法調(diào)查大腦主要非信號過程的能量使用。通過阻斷每個(gè)非信號過程，測量腦切片中氧濃度變化，并利用修改的擴(kuò)散方程計(jì)算氧消耗，發(fā)現(xiàn)肌動(dòng)蛋白和微管細(xì)胞骨架的周轉(zhuǎn)以及脂質(zhì)合成是顯著能量消耗者，分別貢獻(xiàn)了氧消耗率的25%、22%和18%。相比之下，蛋白質(zhì)合成能量消耗較低。研究評估了這些能量消耗估計(jì)如何與體內(nèi)大腦能量使用相關(guān)，以及它們在成熟大腦中的可能差異。

 

研究目的

本研究旨在確定大腦中非信號過程（如細(xì)胞骨架周轉(zhuǎn)、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)合成）的能量消耗比例，以填補(bǔ)非信號過程能量消耗證據(jù)的空白，并理解這些過程在發(fā)育大腦能量預(yù)算中的相對貢獻(xiàn)。

 

研究思路

研究思路包括使用幼年大鼠海馬腦切片，通過藥理學(xué)方法阻斷特定非信號過程（如用細(xì)胞松弛素D抑制肌動(dòng)蛋白周轉(zhuǎn)、用諾考達(dá)唑抑制微管周轉(zhuǎn)、用TOFA抑制脂質(zhì)合成、用茴香霉素抑制蛋白質(zhì)合成），并使用丹麥Unisense氧敏感微電極測量氧濃度變化。通過記錄氧深度剖面，應(yīng)用修改的擴(kuò)散方程模型計(jì)算切片內(nèi)的氧消耗率（Vmax），從而量化每個(gè)非信號過程的能量消耗。研究還通過阻斷信號過程（如TTX、cadmium）確認(rèn)切片中自發(fā)電活動(dòng)可忽略，確保測量專注于非信號能量使用。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 氧濃度深度剖面數(shù)據(jù)：通過Unisense電極測量切片表面和不同深度（如50、100、150μm）的氧濃度，生成深度剖面圖（來自圖1、圖4、圖5、圖6）。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于提供了切片內(nèi)氧分布的實(shí)時(shí)量化，允許通過擴(kuò)散模型計(jì)算氧消耗率，從而直接評估能量使用變化。

 

 

 

 

2 最大氧消耗率（Vmax）數(shù)據(jù)：從氧深度剖面擬合模型得到Vmax值，表示飽和氧濃度下的最大氧化磷酸化速率（來自圖4、圖5、圖6）。例如，抑制肌動(dòng)蛋白周轉(zhuǎn)后Vmax降至基線的75%，抑制微管周轉(zhuǎn)后降至78%，抑制脂質(zhì)和蛋白質(zhì)合成后降至82%。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于直接量化了非信號過程的能量消耗比例，揭示細(xì)胞骨架周轉(zhuǎn)是主要能量消耗者。

3 表面氧濃度變化數(shù)據(jù)：在阻斷特定過程后，測量切片表面氧濃度的實(shí)時(shí)變化（來自圖3）。例如，應(yīng)用細(xì)胞松弛素D后表面氧濃度從0.33mM升至0.43mM。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于提供簡單指標(biāo)反映能量消耗變化，驗(yàn)證阻斷效果，并支持深度剖面模型的準(zhǔn)確性。

 

4 信號過程阻斷數(shù)據(jù)：通過應(yīng)用TTX、cadmium等阻斷劑，證實(shí)切片中自發(fā)電活動(dòng)不貢獻(xiàn)可檢測的氧消耗（來自圖2c）。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于確保非信號過程測量不受信號活動(dòng)干擾，提高結(jié)果可靠性。

 

5 細(xì)胞骨架功能驗(yàn)證數(shù)據(jù)：通過雙光子成像驗(yàn)證細(xì)胞松弛素D抑制小膠質(zhì)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，證實(shí)肌動(dòng)蛋白周轉(zhuǎn)被有效阻斷。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于提供功能證據(jù)，支持藥理學(xué)阻斷的特異性和能量消耗計(jì)算的有效性。

 

結(jié)論

1 非信號過程消耗發(fā)育大腦切片顯著能量，肌動(dòng)蛋白周轉(zhuǎn)、微管周轉(zhuǎn)和脂質(zhì)合成分別貢獻(xiàn)約25%、22%和18%的氧消耗，而蛋白質(zhì)合成能量消耗可忽略。

2 鈉鉀泵在無鈣條件下貢獻(xiàn)約50%能量消耗，但在有鈣時(shí)效應(yīng)被掩蓋，表明鈣依賴性過程調(diào)節(jié)能量使用。

3 非信號能量消耗在發(fā)育大腦中可能高于成熟大腦，因細(xì)胞骨架重組等活動(dòng)在發(fā)育階段更活躍。

4 這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了非信號過程在大腦能量預(yù)算中的重要性，并提示在病理?xiàng)l件下（如阿爾茨海默病）可能發(fā)生變化。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧敏感微電極測量的數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵研究意義，因?yàn)樗峁┝烁邥r(shí)空分辨率的氧濃度定量，使研究人員能夠精確監(jiān)測腦切片中的氧消耗動(dòng)態(tài)。這種電極通過產(chǎn)生與氧濃度成正比的電流，允許實(shí)時(shí)測量氧深度剖面，從而通過擴(kuò)散方程計(jì)算局部氧消耗率（Vmax）。研究意義包括：首先，電極的高靈敏度（可檢測微摩爾級氧變化）使得能夠識(shí)別細(xì)微的能量消耗差異，如蛋白質(zhì)合成的可忽略效應(yīng)；其次，深度剖面測量結(jié)合模型擬合，避免了表面測量的局限性，提供了全切片能量使用的準(zhǔn)確估計(jì)；最后，這種方法允許在單一實(shí)驗(yàn)中對多種非信號過程進(jìn)行直接比較，為大腦能量代謝研究提供了標(biāo)準(zhǔn)化工具。這些數(shù)據(jù)不僅揭示了非信號過程的能量貢獻(xiàn)，還為理解發(fā)育和疾病中的能量分配奠定了基礎(chǔ)。