美国艾伦研究所揭秘大脑衰老新机制

美国艾伦研究所揭秘大脑衰老新机制

美国艾伦研究所最近发布了关于小鼠脑细胞衰老的新图谱，揭示了大脑衰老的复杂机制。通过单细胞RNA测序技术和高级脑成像工具，研究人员记录了小鼠在不同年龄段的脑细胞基因表达变化，发现了至少14个对衰老特别敏感的细胞簇，其中大部分属于神经胶质细胞。这一发现不仅有助于我们更深入地了解大脑老化的进程，还可能为阿尔茨海默病等神经退行性疾病提供新的治疗方法。这项突破性的研究成果已发表在《自然》期刊上，引起了科学界的广泛关注。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）是一项革命性的生物技术，它使研究人员能够深入了解单个细胞的基因表达模式，揭示生物体内的细胞异质性和功能多样性。与传统的RNA测序方法不同，它不是将数百万个细胞的基因表达混合在一起，而是单独分析每个细胞的RNA转录物。这使得研究人员能够深入了解细胞种群内的不同细胞类型、状态和功能。

单细胞RNA测序的流程包括细胞样本准备、单细胞捕获、细胞裂解和RNA提取、cDNA合成和扩增、测序准备、RNA测序以及数据分析和解释。这项技术已经在各种生物学领域取得了显著的应用，如免疫学、神经科学、肿瘤学和发展生物学等。

神经胶质细胞是神经系统中数量最多的细胞类型，长期以来被认为是神经元的支架。然而，越来越多的研究表明，这些细胞的作用远不止于此。例如，星形胶质细胞在维持神经元健康、平衡大脑细胞外空间的分子以及稳定神经元之间的突触方面发挥着重要作用。

最近的研究还发现，神经胶质细胞可以通过合成和释放GABA（一种主要的抑制性神经递质）来维持神经兴奋-抑制平衡、可塑性等功能。此外，神经胶质细胞还参与调节神经突发育、神经元兴奋性、感觉转导、运动、睡眠样行为以及与年龄相关的交配行为和寿命。

浙江大学医学院马欢教授团队的研究揭示了神经活动与线粒体基因转录之间的关系，为理解大脑衰老提供了新的视角。研究发现，在学习记忆或人工诱导的神经活动下，神经元突触附近的线粒体基因转录显著增加，促进大脑的能量供给。这种能量调控机制是超级计算机和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。

进一步研究表明，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。

生物脑的低能耗信息处理能为制约人工智能发展的能源问题提供哪些启示呢？神经元拥有特殊的极化结构，除了胞体，还有向外生长的树突和轴突，突触就位于这些树突和轴突上。无数远离神经元胞体的突触赋予了神经元信息并行处理的能力，但同时也对在突触附近的局部能量可塑性调控提出了苛刻的要求。团队的发现提示了，不同于传统计算机的整体供能方式，哺乳类动物大脑采用了一种独特的“按需供能”策略，即在每个突触（数据节点）附近布置可被神经活动（信息处理）调控的线粒体“能量包”。信息处理过程中，线粒体通过突触活动驱动其基因转录和蛋白合成，实现神经元在信息交互的突触附近“局部”能量供给的可塑性调控。

艾伦研究所的这项研究为我们理解大脑衰老的细胞和分子机制提供了新的线索。通过深入了解这些机制，科学家们有望开发出更有效的干预措施，以延缓大脑衰老进程，预防或治疗阿尔茨海默病等神经退行性疾病。此外，这项研究还可能为开发新的药物靶点和治疗方法提供重要参考。

虽然目前阿尔茨海默症等疾病仍无法根治，但通过积极预防和干预，可以延缓病情发展。例如，保持活跃的大脑活动、充足的睡眠、均衡的饮食以及适度的体育锻炼等，都有助于维持大脑健康。此外，补充大脑所需的营养成分，如DHA、维生素B12、胆碱、磷脂酰丝氨酸、PQQ和叶酸等，也可能对大脑健康有益。

随着科学技术的不断进步，我们有理由相信，未来将会有更多突破性的发现，为改善老年人生活质量、减轻家庭和社会负担带来新的希望。