多动脑，老得慢

浙江大学一项最新科研发现表明，预防老年痴呆，或者延缓老去，可能没那么复杂，多动动脑就够了。

众所周知，大脑作为核心“信息处理系统”起着储存、处理海量信息的作用。而认知衰老相关的神经退行性疾病恰与大脑能量失衡密切相关。简单来说，就是当你老了，脑子转得就慢了，认知也就衰退了。

图源 视觉中国

浙江大学医学院马欢教授团队开展的关于大脑生物能量神经可塑性调控与认知衰老的研究成果，发表在国际学术期刊《科学》。他们发现，思考等脑力锻炼可以激活神经元线粒体基因转录，对抗认知衰老。一言以蔽之：多动脑，抗衰老。

想知道具体怎么回事吗？跟记者一起追溯这份研究过程，动一下脑吧。

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聚焦“能量工厂”线粒体

让我们先提名几个关键角色：神经元、突触、线粒体。

神经元是神经系统的基本结构和功能单元，是大脑这个“信息处理系统”的“信息传递网”，构建起复杂的神经网络。其中，有传递信息的“关键枢纽”叫做突触，生命体专属“供电站”则是线粒体。

如何理解这些角色的分工呢？想象一下，我们的大脑是一个忙碌的“信息大都市”，神经元是其中的“小居民”，它们手拉手造起“神经网络街道”。突触为信息传递“小站”，线粒体则是“能量小工厂”。在神经活动时，神经元“小居民”就开始聊天，并向附近的线粒体“工厂”下单“能量饮料”。线粒体“工厂”就会开始运转生产能量，供“小居民”们攀谈。

这之中，就包含着团队关于线粒体的一项重要发现。

当关注学习记忆等认知功能时，以往的研究总会不自觉先行将视线落在细胞核上。

细胞核的确十分重要。在大脑处理和存储信息的过程中，神经活动会调控细胞核的基因转录，合成新的基因和蛋白。但是，大家忽视了另一个同样重要的事物——线粒体，以及它的基因转录。

“作为细胞核以外，唯一拥有自身基因组的细胞器，线粒体的基因转录对于线粒体实现能量供给至关重要。”马欢介绍，课题组有了一个猜想：在信息处理过程中，线粒体的基因转录是否会像细胞核基因转录一样，受到神经活动调控呢？

有想法就要勇于验证！他们卷起袖子就开始了实验。

课题组建立了小鼠模型，发现在学习记忆或者人工诱导的神经活动下，小鼠神经元突触附近的线粒体基因转录显著增加，促进了小鼠大脑的能量供给。这意味着，在“思考”引发的神经活动下，线粒体的基因转录确实受其驱动。物质到能量之间存在一种偶联机制，该机制可以促进二者的有效协调转化。

“这个机制就像一条信号通路，一条能量供应通路。”马欢告诉记者，团队为这条通路起了个名字——“神经活动-线粒体基因偶联”，来标记神经活动和线粒体基因表达之间的关系。

团队进一步研究发现，神经活动-线粒体基因偶联极大依赖于神经活动诱导的线粒体钙离子内流。一旦线粒体内钙离子浓度上升，钙调激酶（CaMKIImito）调控下，钙反应转录因子（CREBmito）就会驱动线粒体基因转录。

值得注意的是，无论是钙调激酶还是钙反应转录因子都是参与神经活动－细胞核基因转录的关键蛋白。这打破了教科书对这两个“明星”信号分子在神经系统作用位置和调控机制的经典定义，揭示了其功能的多样性。

现有的研究表明，机体衰老、发生神经退行性疾病的时候，大脑的认知能力随之变差。科学家们发现，在这种情况下，神经活动-线粒体基因偶联也相应变弱。

让我们回到那个想象里：当大脑衰老，神经元“小居民”变得少言寡语，线粒体“能量工厂”进入淡季，能量供应不足，大脑“信息大都市”电量告急，运转速度不再。

“我们推测，是否可以通过提升神经活动-线粒体基因转录的效能，来改善脑功能和认知衰老？”论文共同第一作者副研究员、浙江大学脑科学与脑医学院附属精神卫生中心副研究员李雯雯向记者解释，也就是让神经元“小居民”多聊天、多思考，来拉动线粒体“能量小工厂”的“生意”，激活线粒体正常为大脑“大都市”供能，以此有效对抗衰老。

团队对小鼠大脑进行转基因操控实验，结果验证了这一猜想。

团队在2个月的时间内持续增强小鼠的这一偶联机制，发现小鼠变聪明了，大脑的认知功能得到改善，学习技能更强了，“这为‘多思考’抗大脑‘衰老’提供了一定的理论依据。”李雯雯说。

为了加强神经活动-线粒体基因偶联机制，课题组还设计了一个好帮手——新型靶向分子工具。

“你可以把它理解成一个‘修路工’。在大脑衰老时，线粒体的基因转录变慢甚至停止，其实是因为‘神经活动-线粒体基因偶联’这条信号通路发生了故障。有了这个新型靶向分子工具，就可以修复这条能量供应通路，让线粒体基因继续转录。能量供应跟上了，也就可以有效延缓认知衰老。”马欢打了个浅显易懂的比方。

抗衰老，可以到什么地步？

“我们团队发现，如果用基因工程改造大脑，可以延缓大脑的认知衰老，并且可以预防和衰老相关的老年痴呆症。”马欢介绍，相关临床转化研究和药物开发正在进行中，前期结果尤其是针对神经退行性疾病的效果令人鼓舞。

能源问题是人工智能发展之路的一座大山。埃隆·马斯克曾表示，人工智能计算发展的约束条件除了当前的芯片，下一个短缺的将是电力（能源）。

不管是处理、存储、传输海量数据，进行复杂的计算处理，还是运行大型深度学习模型，各个环节，无不是高成本高能耗。

为人工智能移开能源制约的“大山”，能否从生物脑上找答案？

“不同于传统计算机，哺乳动物大脑的能量供应自有‘按需供能’ 策略。”马欢进一步解读说，大脑中有很多突触，它们类似一个个小数据节点，在每个突触旁边，又安置有一个个线粒体，它们就像随时待命的能量包。当神经活动时，突触旁的线粒体便会被启动，开始进行基因转录与蛋白合成，为神经元供能。这种能量供给并非统一调配，而是在突触附近就地取材，局部开展，极具灵活性，用科研术语说就是可实现 “可塑性调控”。突触工作忙时，线粒体多造能量；不忙时，就少造些，以精准匹配大脑的工作节奏，保障大脑高效运转。

“现在是冬天，我们也可以换一个时令性的比喻。传统计算机的供能方式，就像个人家里无法自行开启关闭的集体式供暖。不管你用不用暖，暖气始终供应，这就极易造成能源的浪费。而哺乳动物大脑的供能就巧妙得多，它类似于分户式供暖。大脑突触是小房间里的人，线粒体就是房间里的空调。当大脑突触这个小人有需要时，就按动遥控器开启线粒体空调，不需要了，线粒体空调就待机。这样精准供暖，节能又高效。”马欢说，揭示大脑高效低能的运行机制，可以为当前高速发展的人工智能在增强信息处理能力的同时，减少能耗提供了全新的启示和发展方向。

“从推测出机制到出现行为学上的认知能力改善，整个研究经历了7年的反复探索和试验。现在，这些研究结果让团队成员们非常兴奋。夜以继日的努力，一遍遍的试错，终于没有枉费。”马欢说。

团队的研究也获得了业界的肯定。《科学》同期刊发前瞻性评论指出，“该研究利用令人印象深刻的多学科手段，为理解哺乳类动物大脑线粒体生物学发生提供了关键见解，为对抗衰老和神经退行性疾病提供了全新可能。”

- 完 -

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