我国学者在大脑动态“充电供能”的神经机制研究方面取得进展

图 神经活动-线粒体基因转录偶联随着衰老变化示意图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：81930030、82230036）等资助下，浙江大学马欢教授团队在大脑动态“充电供能”的神经可塑性机制研究方面取得进展。研究成果以“促进神经活动-线粒体DNA转录偶联改善老年小鼠认知（Boosting neuronal activity-driven mitochondrial DNA transcription improves cognition in aged mice）”为题，于2024年12月20日在《科学》（Science）杂志发表，论文链接https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6547。

　　作为主导思维与意识的核心器官，大脑高效低耗的特性是人工智能技术争相模仿的目标，也是当前人类科技尚未企及的巅峰。同时，大脑能量调控与人类健康密切相关，其失衡被认为是神经系统疾病的关键风险因素。无论是人工智能发展中因高能耗引发的能源短缺问题，还是老龄化社会所带来的严峻挑战，都是当今人类生存与发展必须面对的重大难题。而从科学的角度理解哺乳类动物大脑如何整合“能量-物质-信息”这些生命宇宙的基本元素， 不仅为模仿甚至超越大脑在漫长进化中形成的“低耗高效”能力提供了方向，更是探索解决衰老相关问题的重要契机。

　　研究团队利用分子生物学、电生理和行为学技术，发现神经活动和线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA） 转录之间存在与核中的经典神经活动-基因转录偶联（excitation-transcription coupling in the nucleus，E-TCnuc）不同的年龄依赖性偶联（excitation dependent mitochondrial gene transcription coupling，E-TCmito）。E-TCmito利用传统上与 E-TCnuc相关的分子来调节突触激活密切相关区域的mtDNA表达。在体外和体内模型中，阻断 E-TCmito会损害活动驱动的 mtDNA 表达，并严重破坏神经元的能量储备，降低满足突触传递需求的能力。 进一步研究发现老年小鼠表现出活动依赖型线粒体钙信号和 mtDNA 表达的减少，提示 E-TCmito 存在与年龄相关的衰退。在老年小鼠中表达持续激活形式的线粒体环磷腺苷效应元件结合蛋白能够恢复活动依赖型 mtDNA 表达，增加神经元能量储备，并提升记忆功能（图）。

　　该研究发现了信息处理过程中大脑的神经活动可以驱动线粒体基因转录这一全新的偶联机制，解析了大脑动态“充电供能”的神经可塑性机制。这一成果为理解信息处理“节能”和抗认知衰老提供了新的方向。