人類的大腦如同一個(gè)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(bào)道了,，微小能量即可啟動(dòng)大腦所有的電信號。事實(shí)上,，這些脈沖信號所能達(dá)到的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)穿刺證明了神經(jīng)沖動(dòng)是如何傳遞電信號的,，被稱為動(dòng)作電位,。Hodgkin和Huxley也因此獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
根據(jù)Hodgkin-Huxley的模型,，在巨型烏賊軸突中傳遞一個(gè)動(dòng)作電位需要的能量要比軸突完全有效時(shí)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(dòng)機(jī)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(rèn)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(rèn)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(dòng)物的神經(jīng)細(xì)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(dòng),，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(xì)分析這些數(shù)據(jù)以后,，研究者發(fā)現(xiàn)這些動(dòng)作電位在大鼠的神經(jīng)細(xì)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(gè)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(fù)離子的碰撞產(chǎn)生動(dòng)作電位,。鈉離子進(jìn)入細(xì)胞的同時(shí)鉀離子出細(xì)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(shí)又在剎車,。但是Alle和他的搭檔發(fā)現(xiàn)在大鼠的神經(jīng)細(xì)胞中,，一個(gè)離子通道打開與另外一個(gè)通道的關(guān)閉是相接的。只有在鈉離子幾乎全部進(jìn)入時(shí)鉀離子才會出細(xì)胞,。先踩油門,，然后才剎車，這才是一個(gè)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(xì)胞的基本生活，其他用于計(jì)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(gè)很重要的觀點(diǎn),，實(shí)際中要達(dá)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(dòng)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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