科学家首次绘制了脑能量图！

从记忆储存、视觉解析到情绪调节……脑所执行的一切功能，都依赖于持续而精密的能量供应。提供这些能量的，正是被称为“细胞发电站”的细胞器——线粒体。

令人惊讶的是，科学界对这些微型“能量工厂”在脑中的分布模式、功能差异，以及它们如何影响脑健康，仍然了解甚少。例如：脑中到底有多少个线粒体？它们在不同脑区的分布是否均匀？脑中的所有线粒体是否功能都一致？若脑中的线粒体发生变化，是否会影响我们的情绪与认知，甚至引发神经或精神疾病？

为解答这些关键问题，哥伦比亚大学的研究团队创建了全球首个人脑的线粒体图谱——MitoBrainMap。新的研究成果发表刚刚发表在《自然》杂志上。

  从细胞到整个脑  

长期以来，研究者在理解脑的能量方面面临一个关键难题：对线粒体的研究通常聚焦于单个细胞的微观层面，而神经影像技术提供的则是宏观结构的图像。两者之间存在难以连接的“尺度鸿沟”。

为弥合这一差距，研究人员获取了一块冷冻的人脑组织（来自一位54岁、因心脏病去世的捐赠者），并将其切割成703个3×3×3毫米³的立方体，每块约为一粒沙子的大小，这一分辨率与标准MRI图像中的“体素”大小相当。

被切割成703个3x3x3毫米3的立方体的人脑组织。（图/Martin Picard / Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons）

随后，研究团队测量了每个立方体中的线粒体密度及其能量转换能力。从这些数据中，研究人员绘制出了整个脑切片的能量图谱。接着，他们利用计算模型将这张图谱推演至整个脑。

尽管这种方法属于技术上的折中，但它首次为我们呈现出人脑生物能量分布的全景图像。

  脑能量的新发现  

这项绘制工作揭示了多个令人惊讶的模式。它表明，线粒体在不同脑区分布显著不同，不仅在密度上差异明显，其能量转换效率也不尽相同。例如，脑的灰质（主要由神经元胞体构成）比白质（主要由神经元轴突构成）的线粒体多50%以上，且灰质中的线粒体也比白质中的线粒体能更有效地产生能量。

这是非常有趣的发现，因为所有线粒体都源自卵母细胞中的同一个“母体”，但在发育过程中，却会根据不同细胞的能量需求产生功能性专化。

此外，研究还发现，那些在人类中进化较晚、参与复杂的认知功能的脑区，不仅拥有更密集的线粒体，而且其线粒体的能量转换效率也更高。这些区域的能耗水平显著高于进化上更原始的脑区。研究团队指出，这种差异化的“能量设计”，可能为解释某些神经精神疾病提供新线索——这些高耗能区域在疾病中往往最先受损，如阿尔茨海默病、抑郁症或注意力障碍等。

  下一步研究方向  

接下来，他们的研究重点将围绕MitoBrainMap展开模型验证、扩展样本和实际应用上。当前发布的MitoBrainMap仍是第一版。研究团队正在进一步分析来自约500个脑、涵盖9个不同脑区的数据，以便更深入地理解线粒体分布与功能在个体之间的差异性，从而提升图谱的预测精度。

如果得到进一步证实，那么该模型将有望结合标准的MRI扫描，推算出活体人脑中线粒体的功能特征——这将成为首个非侵入式评估人脑线粒体生物能学的方法。这种方法将使研究人员能够探究线粒体功能与认知能力、脑发育、疾病状态乃至心理状态之间的关联。

研究人员指出，能量是现代生物医学中经常被忽视的维度。若要将健康视为一种能量状态，许多问题将以全新的方式被提出——比如，脑的自我修复需要多少能量？饮食会如何影响线粒体？能量受限是否会干扰正常脑功能，甚至加速阿尔茨海默病等疾病的发展？

MitoBrainMap v1.0 是迈向理解脑的能量机制及其支持我们所有体验的第一步。未来，我们可能不仅要了解脑“怎么想”，还要理解它“如何供能”。