關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
人類大腦是一個令人難以置信的能量消耗大戶。這個器官僅佔身體質量的約 2%，但使用的能量卻超過身體總能量的五分之一。在神經元（神經細胞）層面更準確地計算其能量預算對於從功能性磁共振成像（fMRI）分析師到進化生物學家等研究人員來說非常重要。
五十七年前，諾貝爾獎獲得者艾倫·霍奇金和安德魯·赫胥黎提出了一個模型來計算神經元中電化學電流背後的動力——這是在理解大腦如何工作以及如何分配資源方面向前邁出的一大步。唯一的問題是，他們的研究物件不是人，甚至不是齧齒動物，而是一隻魷魚。* 今天，研究人員宣佈，他們已經找到了一個更準確的哺乳動物大腦模型，該模型將哺乳動物大腦的一些活動效率提高到比基於魷魚的方程式高三倍。
為了傳遞資訊，化學訊號在數萬億個腦細胞突觸（神經元之間的連線）之間傳遞。一些大腦能量預算中提出了動作電位傳播和突觸傳遞之間 50-50 的能量使用分配（這些預算確實假設動作電位傳播貢獻的部分是理論最小值的四倍，正如霍奇金-赫胥黎模型所暗示的那樣——但只有當您知道突觸傳遞的貢獻是什麼時，您才能得出關於 50-50 分配的結論，例如；霍奇金和赫胥黎的模型沒有告訴我們突觸傳遞的能量成本是多少），羅斯指出。**
這項新研究於今天線上發表在《科學》雜誌上，該研究提出，在哺乳動物大腦中，分裂實際上更接近於尖峰（動作電位）佔 15%，隨後的突觸變化佔 85%。儘管總能量使用量似乎相同，但這種劃分可能對理解現代大腦如何發展具有重要意義。
哺乳動物如何在前端節省如此多的能量？霍奇金和赫胥黎的魷魚大腦發射了更多重疊的離子，需要更多能量來重建電化學差異。然而，哺乳動物的大腦似乎將離子的運動間隔開，從而減少了動作發生後所需的電荷差異恢復量。“您跨越的電荷越少，您重建梯度的能量就越少，”皮埃爾·馬吉斯特雷蒂說，他是瑞士洛桑聯邦理工學院生命科學學院—腦智研究所主任，他在《科學》雜誌上撰寫了一篇隨附的觀點文章。
研究大腦的科學家經常依賴能量預算來估計能量輸入和消耗的分配。“為這些預算得出數字很困難，”阿恩德·羅斯說，他是該研究的作者之一，也是倫敦大學學院沃爾夫森生物醫學研究所的高階研究員。“這不是他們的錯，”他談到那些一直在現已被證偽的假設下工作的研究人員時說。
馬吉斯特雷蒂說，這些發現可能會結束“關於這些過程中哪一個能量成本最高的長期爭論”。然而，可能仍然有一些懷疑者：這項新研究是在大鼠身上進行的，但羅斯相當有信心，結果對於人類來說是相似的。“我們現在有另一個模型”來取代半個世紀前的霍奇金-赫胥黎方程，他說，並補充說，在大鼠的軸突中，“形狀相似；涉及相同的分子，因此這應該表明它們在人身上也應該表現相似”。羅斯和他的團隊的測試僅限於海馬體中的軸突，他指出，應該測試大鼠大腦其他部位的軸突，以確保能量使用在整個大腦中是標準的。
新的比率將如何影響腦部影像的分析仍然存在爭議。正如馬吉斯特雷蒂指出的那樣，“所有用於探索大腦活動的功能性腦成像技術，功能性磁共振成像或 PET（正電子發射斷層掃描），都測量了在比其他區域更活躍的區域中能量的使用”。但這些型別的成像只是間接地測量這種能量使用，因此，羅斯說，“這取決於功能性磁共振成像人員來接受這一點，並決定這對他們看到的訊號意味著什麼。”
巨型魷魚和小鼠之間效率存在如此巨大的差異，這引發了羅斯和其他對大腦如何進化感興趣的人的一些重大問題。“令人好奇的是，在魷魚中[能量使用]似乎不是最優的，”他說。他推測，這種差異可能是因為魷魚更依賴其神經元來傳遞快速行動以逃生，從而犧牲了能量效率來換取速度。反過來，對效率的偏好可能使哺乳動物能夠進化得更聰明——如果可能的話，反應更慢。
這樣的命題引發了其他問題：最佳效率率是多少？其他一些權衡是什麼，例如可靠性？
最終，羅斯覺得奇怪的是，這樣一個巨大的錯誤在有可能進行測試多年後仍然持續存在。但效率數字被如此廣泛地接受，以至於它只是“存在於人們的腦海深處——而不是最前面，”他說。沒有人花時間去調查：“它必須是那樣的嗎？這是自然規律嗎？”
*更正（09/14/09）：這句話最初將霍奇金和赫胥黎研究的物種稱為巨型魷魚。 **注（09/14/09）：這句話已修改，以更清楚地解釋突觸傳遞的過程。