长时间的卡路里短缺会让老鼠的大脑进入“低能量模式”

一项新研究发表在该杂志上神经元这表明，长期减少热量摄入会使大脑进入“节能”模式，减少它传输的信息量以消耗更少的能量。爱丁堡大学的研究人员发表的这一发现揭示了人类大脑是如何在能量稀缺的情况下自我调节的。尽管大脑只占身体质量的3%，但却占身体能量消耗的20%。

这种大脑活动的改变是有代价的。“基本上，我们已经找到了解释大脑如何进入低电量模式的机制。你需要更少的能量，但你的功能也不太好，”爱丁堡大学发现脑科学中心的研究员、该论文的合著者纳塔莉·罗什福尔教授在接受采访时说188金宝搏备用技术网络。

视觉皮层提供了完美的模型

Rochefort的团队，包括第一作者和博士后研究员Zahid Padamsey，用老鼠的视觉皮层作为模型来研究“低电量模式”。Rochefort说，之所以选择这个区域，是因为它在以前的研究中已经有了非常好的特征，很容易进行成像研究，而且这个区域的输入——基本上是老鼠在任何给定时间看到的任何东西——都很容易控制。

身体和大脑的细胞都依靠一种叫做三磷酸腺苷(ATP)的能量货币运行，它可以在细胞内的化学反应中被化学分解或合成。ATP的分解对于为肌肉收缩等细胞过程提供能量至关重要。它在大脑交流中也起着重要作用，Padamsey说，“无论何时你发出信号或传递突触电位，你都需要恢复离子梯度。这就是ATP的作用;你不断地移动钠离子和钾离子，破坏它们的电化学平衡。这就是ATP利用率的原因。神经元节省能量最简单的方法就是减少在突触信号传递过程中经历的离子通量。”

卡路里控制是有代价的

帕达姆西仔细测量了低热量摄入后来自视觉皮层的电活动，这导致老鼠减掉了基线体重的15%。记录显示，为了降低ATP的使用量，视觉神经元改变了它们的电化学性质，从而减少了进出细胞的离子数量。

但这种效率的提高有一个化学陷阱。

为了维持来自离子计数较低的神经元的信号频率，大脑本质上放大了每个离子分子提供的信号。然而，这使得系统更加敏感，并导致老鼠的视觉神经元对最轻微的电脉冲做出反应。帕达姆西说:“我们看到的结果是，细胞变得更嘈杂，传递信息的能力也更不稳定。”

这种变化的连锁反应是什么?

研究小组从他们知道的视觉皮层神经元中获取了电生理读数应该只有当某些形状的方向被展示给老鼠时，它们才会有反应。在卡路里限制后，这些神经元变得不那么专注，对其他形状方向做出反应。从本质上讲，这种变化就像从高像素密度的相机切换到低像素密度的相机——仍然可以用来拍照，但性能受损，Rochefort说。

饱腹感激素也起作用

研究小组的下一个问题是，老鼠是如何通过降低大脑功能来应对体重减轻的。罗什福尔解释说，关键在于一种叫做瘦素的激素;这是身体在饭后“感觉饱”的主要信号。

罗什福尔说:“它是由周围的脂肪储存所分泌的。”“事实上，令人惊讶的是，它不仅影响大脑皮层功能，而且我们可以通过人为补充瘦素来欺骗食物受限的小鼠的大脑皮层。”

当小鼠补充瘦素后，它们的大脑切换回正常的能量模式。瘦素激活困倦大脑的确切生化途径目前还不清楚。罗什福尔认为，通过血脑屏障、下丘脑中的瘦素敏感神经元或甲状腺中产生的其他激素的调节发出信号可能是潜在的途径。

如果储存在脂肪中的激素可以加速大脑运转，那么圣诞节后的时期不应该是科学和社会取得巨大进步的时期吗?不完全是。帕达姆西说:“如果你长时间体内有过多的瘦素，或者你吃了太多的巧克力棒，导致脂肪量过多，这种升高的瘦素信号就会引发大脑中的瘦素抵抗。”“我们并不确切知道发生了什么机制，但我们知道大脑对瘦素输入的反应越来越少。大脑本质上认为它在挨饿。”

在推断长期食物短缺时视觉信号发生的变化，以及发生这种情况的机制原因时，该团队的论文在理解大脑在匮乏时期的表现方面取得了重大进展。但还有很长的路要走。

研究人员在雄性小鼠中进行了这项研究，但帕达姆西有充分的理由相信，这种效果在雌性小鼠中影响较小，并受到不同的激素调节。“当你减少卡路里摄入量时，许多物种的女性都不愿意减掉脂肪。对于男性，你调整卡路里摄入量，他们的脂肪量下降，他们的瘦素水平下降，我们看到所有这些影响。你对雌性做同样的卡路里限制，它们会保持脂肪量;相反，他们往往会失去瘦肉。”罗什福尔说，这可能是由于雌激素等激素的影响。

研究小组还热衷于研究其他大脑系统如何受到持续热量短缺的影响，以及当过量饮食导致肥胖时，瘦素如何影响大脑。

参考:

帕丹赛Z，卡萨内瓦基D，杜普伊N，罗什福尔NL。在食物短缺时，新皮层通过降低编码精度来节省能量。神经元．2021; 0(0)。doi:10.1016 / j.neuron.2021.10.024