3 月 26 日消息，腦是哺乳動物器官中結構和功能最復雜的器官之一，大腦的新陳代謝非常活躍，且極易受到缺氧和灌注不足的影響。

迄今為止，生理和病理情況下大腦調節新陳代謝的細胞學和分子生物學機制仍然不清楚，許多科學問題仍未得到解決。例如，大腦究竟從血液中攝取什么物質？釋放哪些物質到血液循環中？了解大腦的代謝物輸入與輸出有望為研究神經生物學和神經精神疾病提供新的思路。

3 月 26 日，北京腦科學與類腦研究所 / 北京協和醫學院戈鵡平與首都醫科大學附屬北京天壇醫院王伊龍、莫大鵬團隊在Neuron 雜志上發表題為 Comprehensive characterization of metabolic consumption and production by the human brain 的論文，首次成功高通量系統鑒定人腦凈吸收和凈釋放的代謝物和脂質。

研究人員前期收集了人腦靜脈竇 (出腦的匯集靜脈)、股靜脈（出腿部組織匯集靜脈）和股動脈的血漿樣本，并進行了代謝組學和脂質組學的測定。

在這些樣本中，通過比對動脈和人腦靜脈竇血液樣品，檢測到了 5384 種代謝物，其中 1365 種代謝物被人腦顯著吸收或釋放（738 種吸收，627 種釋放），占比 25.3%。

通過比對動脈和腿部靜脈血液樣品，1,508 種代謝物被腿部顯著吸收或釋放（737 種吸收，771 種釋放），占比 28.0%，其余代謝物在動靜脈之間的濃度接近。

在人腦動靜脈代謝組數據中，研究團隊發現，大腦對葡萄糖的凈攝取絕對量最高（656.47 μM），次黃嘌呤（hypoxanthine）為凈吸收率最高的代謝物，動脈中 48.4% 被大腦攝取。

谷氨酸（味精的主要成分）也在本研究中顯示為人腦凈吸收，對于一個成年男性而言，其大腦平均每天可以凈吸收 5g 谷氨酸。谷氨酰胺（glutamine）為腦部凈釋放量最高的代謝物（439.18 μM），丙酮酸（pyruvate）也被顯著釋放，提示葡萄糖代謝副產物的外排機制。

研究者在人腦動靜脈脂質組數據中檢測到 654 種脂質，其中 140 種脂質被大腦顯著吸收或釋放（63 種吸收，77 種釋放），甘油三酯（triacylglycerols, TAG）是大腦消耗最顯著的脂質類別，與能量儲存相關；磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）和游離脂肪酸（FFA）是大腦釋放最顯著的脂質類別，與膜結構成分相關。

▲ 不同代謝物在人腦中的絕對攝取 / 釋放量和相對攝取 / 釋放百分比

隨后，研究者比較了腦靜脈狹窄（CVSS）與腦靜脈血栓（CVST）患者的腦-血代謝交換差異，CVSS 患者的大腦消耗了更多的葡萄糖和乳酸，并釋放了更多葡萄糖代謝副產物（如丙酮酸、琥珀酸和蘋果酸），表明其葡萄糖利用增加，但線粒體氧化磷酸化減少。CVST 患者則消耗了更多的色氨酸（tryptophan）、TAG50:3 (16:2) 和 TAG54:4 (16:0)，并釋放了更多的檸檬酸（citrate），但消耗的葡萄糖和乳酸較少。

研究者進一步探討了年齡對人腦代謝的影響，分析了年齡與腦部代謝物攝取和釋放的相關性，鑒定出 8 種代謝物和 15 種脂質的血腦交換特性與年齡相關。隨著年齡增長，大腦對葡萄糖的攝取減少，反映出大腦代謝活性的降低。大腦對 TAG 48:3 (18:1) 的消耗隨年齡增長而增加，大腦釋放的天冬酰胺（asparagine）、膽綠素（biliverdin）和溶血磷脂酰膽堿（LPC）隨年齡增長而增加。

▲ 人腦-血液代謝交換隨年齡的改變；葡萄糖腦吸收和釋放與年齡的關系

該研究為人腦代謝研究提供了全新的高通量數據，首次系統測定了人腦攝取與釋放的代謝物和脂質。研究結果拓展了我們對大腦能量代謝的理解，還為衰老、神經系統疾病的代謝機制研究提供了新的理論基礎和有效的技術手段。

北京腦科學與類腦研究所 / 首都醫科大學 / 協和醫學院聯合培養博士研究生周樂波、首都醫科大學-北京腦科學與類腦研究所聯合培養研究生王楠和博士后邱寶山為共同第一作者。北京腦所生物質譜中心的李溱教授、孫祥麗博士、于曉倩工程師為工作提供了技術支持。該研究也得到首都醫科大學吉訓明教授的幫助與支持。北京腦所的姚迪、賀淼清、李桐、謝毓峰、畢湛迎、博士俞杰在課題中也作出了重要貢獻。

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