人類的大腦如同一個貪食者,，雖然它只占我們2%的體積,，卻消耗我們身體20%的能量,。
9月11日Science報道了,，微小能量即可啟動大腦所有的電信號,。事實上,，這些脈沖信號所能達到的距離遠遠長于人們的最初的設(shè)想。
1939年,，英國生理學(xué)家Alan Hodgkin和Andrew Huxley做了第一個穿刺證明了神經(jīng)沖動是如何傳遞電信號的,，被稱為動作電位。Hodgkin和Huxley也因此獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎,。
根據(jù)Hodgkin-Huxley的模型,，在巨型烏賊軸突中傳遞一個動作電位需要的能量要比軸突完全有效時所消耗高出3-4倍。這意味著軸突的效率約為25%-30%，與汽車發(fā)動機的效率差不多,。近20年來,，該數(shù)據(jù)被廣泛的接受，但是Hennrik Alle并不這樣認為,，這位來自德國馬普學(xué)會腦科學(xué)研究中心的神經(jīng)科學(xué)家認為"人類的直覺告訴我們對于如此重要的信號,，自然界會嘗試優(yōu)化重要信號。使它利用能量的效率更高,。"
Alle及同伴決定利用哺乳動物的神經(jīng)細胞重新研究效率的問題,。他們通過記錄大鼠腦部的記憶和學(xué)習(xí)中樞記錄當(dāng)前的神經(jīng)活動，他們使用了一種新方法-膜片鉗技術(shù)來完成的,，該技術(shù)沒有在HH模型中提及,。
仔細分析這些數(shù)據(jù)以后，研究者發(fā)現(xiàn)這些動作電位在大鼠的神經(jīng)細胞中的傳導(dǎo)效率要比HH模型預(yù)期效率要高了2-3倍,。相比與HH模型中預(yù)期30%的效率,，這個過程中的效率大約在70%-80%之間。
為什么會出現(xiàn)如此大的差異呢,？在HH模型中,，正負離子的碰撞產(chǎn)生動作電位。鈉離子進入細胞的同時鉀離子出細胞,。來自英國倫敦學(xué)院的神經(jīng)學(xué)家Michael H?usser說這種感覺就像你在踩油門的同時又在剎車,。但是Alle和他的搭檔發(fā)現(xiàn)在大鼠的神經(jīng)細胞中，一個離子通道打開與另外一個通道的關(guān)閉是相接的,。只有在鈉離子幾乎全部進入時鉀離子才會出細胞,。先踩油門，然后才剎車,，這才是一個高效的過程,。
關(guān)于大腦如何利用它剩余的能量呢？Alle說一半用于保障神經(jīng)細胞的基本生活,，其他用于計算,。研究結(jié)果表明更多的能量在神經(jīng)傳遞過程中被消耗了，消耗量比沿著軸突傳遞電信號要大,。
"這篇文章提出了一個很重要的觀點,，實際中要達到理論極限的效率是很困難的。"Hausser說道,。"了解腦能量在不同活動中的分配,，有助于科學(xué)家更好的理解大腦儲存信息的方式。"(生物谷Bioon.com)
生物谷推薦原文：
Science DOI: 10.1126/science.1174331
Energy-Efficient Action Potentials in Hippocampal Mossy Fibers
Henrik Alle1,*, Arnd Roth2, Jörg R. P. Geiger1,*
Action potentials in nonmyelinated axons are considered to contribute substantially to activity-dependent brain metabolism. Here we show that fast Na+ current decay and delayed K+ current onset during action potentials in nonmyelinated mossy fibers of the rat hippocampus minimize the overlap of their respective ion fluxes. This results in total Na+ influx and associated energy demand per action potential of only 1.3 times the theoretical minimum, in contrast to the factor of 4 used in previous energy budget calculations for neural activity. Analysis of ionic conductance parameters revealed that the properties of Na+ and K+ channels are matched to make axonal action potentials energy-efficient, minimizing their contribution to activity-dependent metabolism.
1 Independent Hertie Research Group, Max-Planck-Institute for Brain Research, 60528 Frankfurt, Germany.
2 Wolfson Institute for Biomedical Research, University College London, Gower Street, London WC1E 6BT, UK.
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