丁香通

人类的大脑如同一个贪食者，虽然它只占我们2%的体积，却消耗我们身体20%的能量。9月11日Science报道了，微小能量即可启动大脑所有的电信号。事实上，这些脉冲信号所能达到的距离远远长于人们的最初的设想。

1939年，英国生理学家Alan Hodgkin和Andrew Huxley做了第一个穿刺证明了神经冲动是如何传递电信号的，被称为动作电位。Hodgkin和Huxley也因此获得了诺贝尔医学奖。

根据Hodgkin-Huxley的模型，在巨型乌贼轴突中传递一个动作电位需要的能量要比轴突完全有效时所消耗高出3-4倍。这意味着轴突的效率约为25%-30%，与汽车发动机的效率差不多。近20年来，该数据被广泛的接受，但是Hennrik Alle并不这样认为，这位来自德国马普学会脑科学研究中心的神经科学家认为"人类的直觉告诉我们对于如此重要的信号，自然界会尝试优化重要信号。使它利用能量的效率更高。"

Alle及同伴决定利用哺乳动物的神经细胞重新研究效率的问题。他们通过记录大鼠脑部的记忆和学习中枢记录当前的神经活动，他们使用了一种新方法-膜片钳技术来完成的，该技术没有在HH模型中提及。

仔细分析这些数据以后，研究者发现这些动作电位在大鼠的神经细胞中的传导效率要比HH模型预期效率要高了2-3倍。相比与HH模型中预期30%的效率，这个过程中的效率大约在70%-80%之间。

为什么会出现如此大的差异呢？在HH模型中，正负离子的碰撞产生动作电位。钠离子进入细胞的同时钾离子出细胞。来自英国伦敦学院的神经学家 Michael Hausser说这种感觉就像你在踩油门的同时又在刹车。但是Alle和他的搭档发现在大鼠的神经细胞中，一个离子通道打开与另外一个通道的关闭是相接的。只有在钠离子几乎全部进入时钾离子才会出细胞。先踩油门，然后才刹车，这才是一个高效的过程。

关于大脑如何利用它剩余的能量呢？Alle说一半用于保障神经细胞的基本生活，其他用于计算。研究结果表明更多的能量在神经传递过程中被消耗了，消耗量比沿着轴突传递电信号要大。

这篇文章提出了一个很重要的观点，实际中要达到理论极限的效率是很困的。Hausser说道：“了解脑能量在不同活动中的分配，有助于科学家更好的理解大脑储存信息的方式。”

Science 11 September 2009: Vol. 325. no. 5946, pp. 1349 - 1351

DOI: 10.1126/science.1180102
 
Energy-Efficient Action Potentials in Hippocampal Mossy Fibers

Action potentials in nonmyelinated axons are considered to contribute substantially to activity-dependent brain metabolism. Here we show that fast Na⁺ current decay and delayed K⁺ current onset during action potentials in nonmyelinated mossy fibers of the rat hippocampus minimize the overlap of their respective ion fluxes. This results in total Na⁺ influx and associated energy demand per action potential of only 1.3 times the theoretical minimum, in contrast to the factor of 4 used in previous energy budget calculations for neural activity. Analysis of ionic conductance parameters revealed that the properties of Na⁺ and K⁺ channels are matched to make axonal action potentials energy-efficient, minimizing their contribution to activity-dependent metabolism.