青科沙龙第147期 | Neuron-人脑-血液交换代谢物综合表征
大脑作为哺乳动物最重要的器官之一，其结构与功能的复杂性在生物界堪称独树一帜。这一高度进化的器官具有惊人的能量需求和代谢活性：虽然仅占人体总重量的约2%，却消耗全身20%的葡萄糖和氧气供应。大脑的各项生命活动——从生长发育到衰老进程，从基础神经功能到高级认知活动——都依赖于精密调控的代谢网络，包括能量代谢底物、结构构建单元（如氨基酸和脂质）、神经递质以及复杂的信号分子系统。值得注意的是，大脑新陈代谢具有高度动态平衡的特性，对缺氧和血流灌注变化异常敏感。面对神经环路持续活动、营养缺乏或环境压力等因素导致的能量挑战，脑细胞展现出卓越的代谢适应能力。然而，目前科学界对大脑代谢调控的细胞和分子机制仍知之甚少，诸多关键问题亟待解答：大脑如何选择性摄取血循环中的特定物质？又通过何种机制向外周释放代谢产物？深入解析大脑的物质输入-输出特征，不仅将推动神经生物学基础研究的突破，更可能为神经精神疾病的诊疗开辟新的研究方向和治疗靶点。
2025年3月26日，北京脑科学与类脑研究所/北京协和医学院戈鹉平团队与首都医科大学附属北京天坛医院王伊龙、莫大鹏团队合作，在Neuron杂志上发表题为Comprehensive characterization of metabolic consumption and production by the human brain的重要研究成果。该研究通过创新性高通量代谢组学技术，首次系统绘制了人脑代谢物动态图谱，并精确解析了大脑脂质代谢的输入输出特征，为理解人脑代谢调控机制提供了重要科学依据。
研究过程
研究团队采用多组学分析方法，系统采集并检测了人脑静脉窦（大脑血液回流主干）、股静脉（下肢血液回流主干）及股动脉（全身供血主干）的血浆样本。通过高精度代谢组学和脂质组学技术分析发现：在检测到的5384种代谢物中，大脑表现出显著的代谢选择性，25.3%（1365种）的代谢物呈现明显的吸收（738种）或释放（627种）特征。相比之下，下肢组织对代谢物的交换更为活跃，28.0%（1508种）的代谢物在腿部发生显著交换（737种吸收，771种释放）。其余代谢物在动静脉循环中保持相对稳定的浓度水平。
通过对人脑动静脉代谢组的深入分析，研究团队揭示了大脑独特的物质代谢特征。在能量代谢方面，葡萄糖以656.47 μM的绝对摄取量位居首位，凸显其作为大脑主要能源物质的关键地位。特别值得注意的是，次黄嘌呤展现出惊人的代谢效率，动脉血中48.4%的含量被大脑选择性摄取，成为吸收率最高的代谢物。在氨基酸代谢方面，研究发现成年男性大脑日均吸收约5克谷氨酸，同时大量释放谷氨酰胺（439.18 μM），这一发现为理解脑内谷氨酸-谷氨酰胺循环提供了新证据。此外，丙酮酸的显著释放现象提示了葡萄糖代谢副产物的有效外排机制。脂质组学分析同样取得重要发现：在检测到的654种脂质中，140种呈现显著的脑选择性交换模式。其中，甘油三酯（TAG）作为主要的能量储存形式被大脑优先摄取，而磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）等膜结构成分及游离脂肪酸（FFA）则被大量释放。
研究团队进一步探索了不同脑静脉疾病状态下特异的代谢模式。通过对比脑静脉狭窄（CVSS）和脑静脉血栓（CVST）患者，发现二者呈现截然不同的代谢特征：CVSS患者表现出糖酵解亢进伴氧化磷酸化抑制的特征，表现为葡萄糖和乳酸摄取显著增加，同时丙酮酸、琥珀酸和苹果酸等糖酵解中间产物释放增多；而CVST患者则呈现独特的代谢重编程，主要表现为色氨酸摄取增加、特定甘油三酯（TAG50:3和TAG54:4）选择性利用以及柠檬酸释放增强，但葡萄糖和乳酸代谢相对减弱。
在年龄相关研究中，团队鉴定出23种与衰老密切相关的代谢物（8种小分子代谢物和15种脂质），系统描绘了脑代谢的衰老轨迹。其中，葡萄糖摄取随年龄增长而降低，直观反映了脑代谢活性的进行性衰退；而TAG 48:3(18:1)摄取增加则可能代表衰老脑组织的代偿性能量需求。值得注意的是，天冬酰胺、胆绿素和溶血磷脂酰胆碱（LPC）等物质的释放水平与年龄呈正相关。
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本研究开创性地构建了人脑代谢物输入输出的全景图谱，通过高通量多组学技术首次实现了对脑组织代谢物和脂质动态交换的系统性解析。这一突破性成果不仅重新定义了我们对大脑能量代谢网络的认识，还建立了脑代谢与生理病理状态的关键联系，为深入理解脑衰老的分子机制提供了全新的代谢视角，同时为神经系统疾病（如脑静脉病变、神经退行性疾病等）的早期诊断和治疗靶点开发奠定了重要的理论基础。
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