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大脑能量工厂的秘密揭晓！研究表明：灰质中线粒体数量超过白质50%以上，揭示脑部区域化能量转化的奥秘！

解螺旋 · 公众号 · 医学 · 2025-04-15 18:10

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研究发现

研究通过对人类大脑进行物理体素化，将冷冻的人类冠状半球切片分割成703个体素，并在每个皮层和皮下脑体素中分析线粒体表型，包括氧化磷酸化（OXPHOS）酶活性、线粒体DNA和体积密度，以及线粒体特异的呼吸能力。研究发现，人脑中存在由拓扑结构和细胞类型驱动的多样化线粒体表型。灰质中的线粒体数量比白质多50%以上，且灰质中的线粒体在生化上更优化以进行能量转化，尤其是在最近进化的皮层脑区。通过将这些数据扩展到整个大脑，研究创建了一个线性回归模型，整合了多种神经影像学模式，以生成线粒体分布和专业化的全脑地图。

研究结果揭示了大脑不同区域的线粒体密度和OXPHOS能力的显著差异。灰质和白质之间的线粒体特征差异明显，灰质中线粒体的氧化磷酸化能力和密度显著高于白质。此外，研究还发现，线粒体的呼吸能力（MRC）在大脑不同区域之间存在显著差异，尤其是在进化较晚的脑区中，线粒体表现出更高的OXPHOS能力。这些发现为理解大脑的分子能量景观提供了基础，并可能与神经精神和神经退行性疾病相关。

临床意义

线粒体分布与密度：研究显示灰质中线粒体的密度和呼吸能力显著高于白质。这种区域性差异可能解释了某些神经变性疾病主要影响皮层结构的机制。高密度和高能量转换能力的线粒体可能在支持复杂的认知功能中起到关键作用。这一发现提示，在神经变性疾病如中风中，灰质区域可能更容易受到线粒体功能障碍的影响，而白质可能存在一些补偿机制来减轻这种影响。进化与功能的联系：研究发现，线粒体的呼吸能力与大脑区域的进化年龄密切相关。较晚进化（如人类和灵长类特有）的脑区显示出更高的线粒体呼吸能力。这一结果为理解人类进化过程中大脑能量需求的增加提供了证据，并可能帮助解释某些遗传性线粒体疾病在认知功能上的特异性脆弱性。个体化医学的潜力：研究还开发了一种基于神经影像数据预测线粒体特性的模型。这一模型可以用于生成个体化的MRI基础上的线粒体表型图谱，从而有助于检测和评估神经精神疾病和神经退行性疾病中的线粒体功能变化。总体而言，这项研究不仅为理解正常的大脑功能提供了分子基础，还为探索与神经精神和神经退行性疾病相关的大脑区域化过程奠定了基础。这种对线粒体功能的深入了解可能在未来的临床诊断和治疗中发挥重要作用。