每年，醫生診斷出大約 60,000 名美國人患有帕金森病，這是一種無法治癒的神經退行性疾病，其首要風險因素是年齡。全球估計目前有 700 萬至 1000 萬人患有此病。隨著美國和全球人口老齡化，瞭解其病因變得越來越緊迫。
到目前為止，研究人員瞭解到帕金森病涉及大腦幾個受限區域的細胞死亡，包括黑質 (SNc)，它是中腦中兩個大的細胞群之一，容納著大量的多巴胺神經元。這些細胞釋放多巴胺，並參與多種功能，包括獎勵處理和自主運動。它們的死亡會導致運動控制和平衡問題，這些是該疾病的核心症狀。
新的研究表明，這些在帕金森病中風險最高的腦細胞，由於其高度 branching 的結構，需要異常大量的能量來執行其任務。就像一輛發動機過熱的大型汽車一樣，這些神經元容易衰竭和過早死亡。這一發現來自於對黑質多巴胺神經元和附近腹側被蓋區 (VTA) 中類似神經元能量使用的比較，VTA 也位於中腦中。“我們試圖瞭解為什麼黑質的多巴胺神經元在帕金森病患者中死亡，而有那麼多其他腦細胞根本沒有問題，”蒙特利爾大學的神經科學家、8 月 27 日《當代生物學》發表的研究的資深作者 Louis-Eric Trudeau 說。
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儘管黑質神經元和腹側被蓋區神經元幾乎並排定位，但黑質神經元消耗的能量比腹側被蓋區神經元多得多，並且它們的線粒體（細胞中產生能量的結構）持續以最大容量工作。在進一步檢查中，研究人員發現，這些能量消耗大戶細胞的巨大需求源於它們的大小大約是腹側被蓋區鄰近細胞的兩倍。黑質神經元也有更多的軸突延伸。就像一棵有很多樹枝的樹一樣，較大的神經元需要更多的能量才能生存和執行其功能。
當實驗者透過新增訊號素（一種抑制神經生長的軸突引導蛋白）來減少這種 branching 時，它降低了這些神經元中的線粒體活動、能量消耗和脆弱性。不幸的是，這種方法會損害倖存的神經元，這些神經元需要增加其 branching，尤其是在衰老的大腦中，以接管和補充多巴胺儲備。
關於 廣泛的軸突 branching 導致與帕金森病有關的多巴胺神經元脆弱性的假設過去已被提出，但這是第一個在實驗室中檢驗這些說法的研究。拉瓦爾大學研究神經退行性疾病的教授 André Parent 說，目前尚不清楚這些發現是否也能在活體動物身上獲得，他沒有參與這項研究。
隨著年齡的增長，我們所有人都會失去多巴胺神經元。這對大多數人來說不是問題，因為隨著神經元的丟失，其他倖存的神經元會接管。然而，在某些個體中，達到了神經元丟失的“臨界閾值”，剩餘的細胞不再能夠補償。“帕金森病是一種多重打擊疾病，”Trudeau 說。“要患上這種疾病，你需要幾件事：衰老過程以及基因突變或暴露於環境毒素。也許我們所有人的神經元都處於危險之中，最終會在老年時死亡。但我們沒有第二次‘打擊’來增加這些細胞的壓力，從而導致疾病的發展。”黑質中的大型多巴胺細胞需要額外的能量來運轉，而這種長期升高的壓力使它們更容易受到基因突變、環境影響和衰老的影響，這可能就是為什麼它們是最早死亡的一部分。
Trudeau 和他的團隊現在正著眼於利用這項發現的結果來改進帕金森病齧齒動物模型，以便它們能夠更好地模擬靈長類動物大腦中發生的情況。由於靈長類動物的大腦更大，多巴胺神經元需要覆蓋更多的區域，可能需要它們建立更多的連線並消耗更多的能量。目前，科學家甚至不確定大鼠或小鼠是否會患上帕金森病，這可能是因為它們的細胞太小。未來的研究有望揭示大小對大腦的重要性。