從記憶儲存、視覺解析到情緒調節……腦所執行的一切功能，都依賴于持續而精密的能量供應。提供這些能量的，正是被稱為“細胞發電站”的細胞器——線粒體。

令人驚訝的是，科學界對這些微型“能量工廠”在腦中的分布模式、功能差異，以及它們如何影響腦健康，仍然了解甚少。例如：腦中到底有多少個線粒體？它們在不同腦區的分布是否均勻？腦中的所有線粒體是否功能都一致？若腦中的線粒體發生變化，是否會影響我們的情緒與認知，甚至引發神經或精神疾病？

為解答這些關鍵問題，哥倫比亞大學的研究團隊創建了全球首個人腦的線粒體圖譜——MitoBrainMap。新的研究成果發表剛剛發表在《自然》雜志上。

從細胞到整個腦

長期以來，研究者在理解腦的能量方面面臨一個關鍵難題：對線粒體的研究通常聚焦于單個細胞的微觀層面，而神經影像技術提供的則是宏觀結構的圖像。兩者之間存在難以連接的“尺度鴻溝”。

為彌合這一差距，研究人員獲取了一塊冷凍的人腦組織（來自一位54歲、因心臟病去世的捐贈者），并將其切割成703個3×3×3毫米3的立方體，每塊約為一粒沙子的大小，這一分辨率與標準MRI圖像中的“體素”大小相當。

被切割成703個3x3x3毫米3的立方體的人腦組織。（圖/Martin Picard / Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons）

隨后，研究團隊測量了每個立方體中的線粒體密度及其能量轉換能力。從這些數據中，研究人員繪制出了整個腦切片的能量圖譜。接著，他們利用計算模型將這張圖譜推演至整個腦。

盡管這種方法屬于技術上的折中，但它首次為我們呈現出人腦生物能量分布的全景圖像。

腦能量的新發現

這項繪制工作揭示了多個令人驚訝的模式。它表明，線粒體在不同腦區分布顯著不同，不僅在密度上差異明顯，其能量轉換效率也不盡相同。例如，腦的灰質（主要由神經元胞體構成）比白質（主要由神經元軸突構成）的線粒體多50%以上，且灰質中的線粒體也比白質中的線粒體能更有效地產生能量。

這是非常有趣的發現，因為所有線粒體都源自卵母細胞中的同一個“母體”，但在發育過程中，卻會根據不同細胞的能量需求產生功能性專化。

此外，研究還發現，那些在人類中進化較晚、參與復雜的認知功能的腦區，不僅擁有更密集的線粒體，而且其線粒體的能量轉換效率也更高。這些區域的能耗水平顯著高于進化上更原始的腦區。研究團隊指出，這種差異化的“能量設計”，可能為解釋某些神經精神疾病提供新線索——這些高耗能區域在疾病中往往最先受損，如阿爾茨海默病、抑郁癥或注意力障礙等。

下一步研究方向

接下來，他們的研究重點將圍繞MitoBrainMap展開模型驗證、擴展樣本和實際應用上。當前發布的MitoBrainMap仍是第一版。研究團隊正在進一步分析來自約500個腦、涵蓋9個不同腦區的數據，以便更深入地理解線粒體分布與功能在個體之間的差異性，從而提升圖譜的預測精度。

如果得到進一步證實，那么該模型將有望結合標準的MRI掃描，推算出活體人腦中線粒體的功能特征——這將成為首個非侵入式評估人腦線粒體生物能學的方法。這種方法將使研究人員能夠探究線粒體功能與認知能力、腦發育、疾病狀態乃至心理狀態之間的關聯。

研究人員指出，能量是現代生物醫學中經常被忽視的維度。若要將健康視為一種能量狀態，許多問題將以全新的方式被提出——比如，腦的自我修復需要多少能量？飲食會如何影響線粒體？能量受限是否會干擾正常腦功能，甚至加速阿爾茨海默病等疾病的發展？

MitoBrainMap v1.0 是邁向理解腦的能量機制及其支持我們所有體驗的第一步。未來，我們可能不僅要了解腦“怎么想”，還要理解它“如何供能”。

#參考來源：

https://www.cuimc.columbia.edu/news/atlas-brains-mitochondria-reveals-high-cognition-areas-supplied-more-energy

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00848-z

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08740-6

#圖片來源：

封面圖&首圖：columiba.edu