首张人类脑线粒体图谱“开创性”成就

数百块人类脑组织样本助力科学家绘制出大脑各区域的能量生成能力图谱

一张人类大脑彩色CT扫描的侧视图，大脑前部在左侧。图像由橙色、黄色、蓝色和粉色等不同色调组成，背景为黑色。

人类大脑的不同区域（经人工上色）中，被称为线粒体的能量产生细胞器的密度各不相同。图片来源：阿尔弗雷德·帕谢卡（Alfred Pasieka）/科学图片库

科学家绘制出了首张覆盖整个大脑的、关键结构线粒体的图谱，这一壮举或有助于揭开与年龄相关的脑部疾病的奥秘。

研究结果显示，为细胞提供能量的线粒体，在大脑的不同部位，其类型和密度存在差异。例如，从进化角度来看，大脑中最古老的区域线粒体密度，要低于较新的区域。

这项研究的作者将该图谱命名为“脑线粒体图谱（MitoBrainMap）”。德国埃尔朗根-纽伦堡大学（Friedrich-Alexander University）的神经生物学家瓦伦丁·里德尔（Valentin Riedl）并未参与该项目，他评价称，这一图谱“无论在技术层面令人赞叹，在概念上也具有开创性”。

从细胞到大脑

大脑中的线粒体并非无足轻重的角色。美国纽约市哥伦比亚大学（Columbia University）的心理生物学家、该研究的共同作者之一马丁·皮卡德（Martin Picard）表示：“我们如今知道，大脑的生物学特征与大脑的能量学紧密相连。” 而且，大脑的能量消耗占人体总能量消耗的20%。

该研究的作者们使用了一种通常用于木工的工具，将一片来自一名54岁因心脏病发作去世的捐赠者的冷冻人类大脑切片，分割成了703个小立方体。每个立方体的尺寸为3×3×3毫米，这与构成大脑标准三维图像的单元大小相当。皮卡德说：“最具挑战性的部分是样本数量如此之多。”

对每立方毫米的脑组织进行了极为细致的图谱绘制

研究团队运用生物化学和分子技术，测定了703个样本中每个样本的线粒体密度。在一些样本中，研究人员还估算了线粒体产生能量的效率。

为了将研究结果从单一的大脑切片扩展到整个大脑，作者们开发了一个模型，以预测整个大脑中线粒体的数量和类型。他们将大脑成像数据和脑立方体数据输入到模型中。为了验证这个模型，他们将其应用于冷冻大脑切片的其他样本，发现该模型能够准确预测这些样本的线粒体构成。

大脑指南

模型结果揭示了大脑不同部位线粒体特征的差异。例如，作者们发现，由神经元紧密的中心结构组成的大脑灰质，其线粒体数量比主要由神经元长的、传递信息的分支组成的白质多出50%以上。灰质中的线粒体产生能量的效率也比白质中的线粒体更高。大脑皮层（大脑的褶皱外层，在从爬行动物到灵长类动物的进化历程中出现得较晚）灰质中的线粒体效率尤其高。

英国爱丁堡大学（University of Edinburgh）的神经科学家娜塔莉·罗什福尔（Nathalie Rochefort）表示，越来越多的证据表明，在一些精神疾病和与年龄相关的脑部疾病的早期进程中，大脑的线粒体就会发生变化。她说，这些新数据将使科学家能够更详细地研究大脑中易受影响区域的线粒体变化情况。

研究人员称，要全面理解大脑内部以及不同大脑之间线粒体的多样性，还需要开展进一步的研究。该团队已经启动了一个更大的项目，对500个人类大脑的9个区域进行图谱绘制，这将使他们能够比较患有和未患有神经、精神及神经退行性疾病的个体之间的大脑线粒体差异。

DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00848-z