研究簡介:大腦雖然只占體重2%，卻消耗了近20%的靜息能量，其ATP幾乎全部由葡萄糖有氧氧化供給。幾十年來，神經代謝領域卻流傳著一個看似矛盾的假設：當神經元突然高頻放電時，第一時間并不動用“主發電機”——線粒體氧化磷酸化，而是先啟動“應急電池”——糖酵解，尤其是在星形膠質細胞內的糖酵解。本研究利用大鼠海馬腦片，結合氧微電極記錄、NADH熒光成像及數學建模，系統評估了神經元活動瞬間的能量來源。傳統觀點認為，神經活動首先由糖酵解（主要在星形膠質細胞）供能，再通過乳酸轉運給神經元進行氧化磷酸化。研究卻發現在阻斷乳酸脫氫酶（LDH）、或僅用20%O?模擬生理低氧條件下，神經元刺激仍迅速降低胞外O?和胞內NADH，提示氧化磷酸化被立即動員.藥理學逐步阻斷突觸前動作電位、Ca2?內流-遞質釋放、突觸后谷氨酸受體電流及動作電位，可分別減少11%、17%、46%、26%的O?消耗，證明這些關鍵信息處理環節均由氧化磷酸化直接供能.阻斷LDH后，活動誘發的O?與NADH變化幅度不變，否定了星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭假說對瞬時能量供給的必要性。該工作顛覆了“先糖酵解后氧化”的傳統教條，明確了大腦信息處理主要由氧化磷酸化實時驅動，為理解腦能量代謝及fMRI信號生理基礎提供直接證據。

Unisense微電極系統的應用

使用了Unisense Clark型玻璃氧微電極，尖端直徑10μm。實現了原位測量海馬切片內胞外氧濃度變化，作為氧化磷酸化速率的直接指標。微電極尖端定位于CA1輻射層距錐體細胞層30μm、距切片表面約100μm處。通過Clark型玻璃微電極實現10μm空間分辨率，實時監測刺激誘發的O?濃度動態變化。量化不同藥物（如NBQX、Cd2?）對O?消耗的抑制比例（如突觸后機制占72%），為能量分配提供實驗依據。

實驗結論

研究通過海馬腦片多手段實驗，首次直接證明神經元活動瞬間所需ATP主要由氧化磷酸化即時提供，而非傳統認為的“先糖酵解后氧化”或星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭模式。阻斷乳酸脫氫酶或降低氧濃度后，神經元刺激仍迅速耗氧并降低NADH，表明氧化磷酸化被立即動員，承擔≥62%的ATP增量。利用藥理-建模拆分，11%的氧耗用于突觸前動作電位，17%用于Ca2?內流-遞質釋放，46%用于突觸后谷氨酸受體電流，26%用于突觸后動作電位。抑制LDH不改變刺激誘發的氧耗與NADH變化，否定了星形膠質細胞產乳酸快速供神經元氧化磷酸化的必要性。

圖1、刺激誘發的場電位及O?與NADH變化。A圖：實驗電極位置及成像區域示意圖。B圖：左上小圖：0.33 Hz刺激下記錄的場電位（含突觸前動作電位、場興奮性突觸后電位fEPSP及突觸后群體峰電位），TTX阻斷后僅保留刺激偽跡。主圖：TTX阻斷前后的差值曲線，顯示各成分測量方法（突觸前動作電位幅度、fEPSP斜率、群體峰電位幅度）。C圖：20 Hz刺激10秒誘發細胞外[O?]下降（均值118±8μM）。D圖：NADH熒光雙相響應（初始下降1.4%，后續超調2.4%），在輻射層（s.r.）、錐體層（s.p.）和腔隙層（s.o.）無顯著差異。E-G圖：各層NADH靜息熒光（E）、刺激誘發的NADH下降（F）及超調（G）的定量比較。H圖：糖酵解、TCA循環與氧化磷酸化對NADH水平的調控機制示意圖。

圖2、不同亞細胞機制的O?消耗藥理學分析。A圖：實驗流程設計（三階段刺激協議，含藥物干預）。B-D圖：NBQX+AP5（阻斷突觸后電流）選擇性抑制fEPSP和群體峰電位，對突觸前動作電位無影響。Cd2?阻斷突觸傳遞但保留突觸前動作電位，TTX阻斷全部電活動。E-G圖：逐步阻斷突觸后活動（NBQX+AP5）、遞質釋放（Cd2?）及全部活動（TTX）使[O?]下降依次減少63%、82%和100%。NADH下降及超調呈現類似階梯式抑制。H-I圖：谷氨酸（500μM）在Cd2?存在下誘發的[O?]下降，TTX進一步減少29%，表明動作電位消耗O?

圖3、生理O?水平下氧化磷酸化支持神經活動。A圖：20%O?灌流降低fEPSP（38%）和群體峰電位5%），但不影響突觸前動作電位。B圖：20%O?下[O?]下降幅度減小但持續時間延長（恢復需5分鐘）。C圖：NADH初始下降及超調幅度在低O?下降低。D圖：標準化后的O?下降與NADH超調時間重疊。E-F圖：NBQX+AP5在95%和20%O?下對[O?]下降的抑制比例無差異（63%vs.68%），表明突觸后O?消耗與O?水平無關。

圖4、LDH阻斷不影響O?與NADH初始下降。A圖：LDH抑制劑草酸鹽使細胞外乳酸減少66%。B圖：實驗設計（階段2加入oxamate）。C-D圖：oxamate不改變[O?]下降（E）和NADH初始下降（F），但增加NADH超調（G）（p=0.003），提示糖酵解延遲激活。

圖5、巨噬細胞復極化的機制研究。a）接受不同處理的RAW 264.7細胞的RNA測序分析示意圖。該圖由Figdraw創建。b）來自不同群體的RAW 264.7細胞基因的PCA分析。數據按原樣顯示（N=3）。c）來自不同組的RAW 264.7細胞轉錄組中差異表達基因的基因聚集。數據按原樣顯示，并按平均值顯示（N=3）。d）來自不同組的RAW 264.7細胞的炎癥相關途徑中涉及的DEGs的熱圖分布。數據按原樣顯示（N=3）。e）LPS/IFN-γ和LPS/IFN-γ+CSN處理的RAW 264.7細胞轉錄組中DEGs的火山圖。f）LPS/IFN-γ和LPS/IFN-γ+CSN處理細胞的前15個DEGs的相互作用。g）LPS/IFN-γ和LPS/IFN-γ+CSN處理細胞的KEGG富集分析氣泡圖h）Nfkb2的mRNA表達，來自不同組的RAW 264.7細胞的Mapk12和Tnf。數據表示為SD±均值（N=3）。i）IL-17信號通路的GSEA圖顯示，用LPS/IFN-γ處理的RAW 264.7細胞CSN處理后顯著下調（NES=-1.74）。j）CSN巨噬細胞復極化的分子機制示意圖。k）來自不同組的RAW 264.7細胞的p65、p38和FosB的蛋白質印跡分析。

結論與展望

本研究研究了大腦信息處理過程中能量供應的核心機制，挑戰了"神經元活動初期依賴糖酵解供能"的傳統觀點。通過海馬體切片實驗，研究人員驗證了氧化磷酸化（而非糖酵解）是突觸前動作電位、神經遞質釋放、突觸后電流和動作電位等關鍵神經活動的主要能量來源。本研究首次整合Unisense O?電極、NADH成像和場電位記錄，實現多參數代謝-電活動同步分析。通過Clark型玻璃微電極實現10μm空間分辨率，實時監測刺激誘發的O?濃度動態變化。這一發現對理解腦功能成像（如BOLD信號）的生理基礎具有重要意義。本顛覆了“糖酵解先供能”的傳統教條，為理解大腦信息處理的能量供應機制、解釋BOLD-fMRI信號生理基礎提供了直接實驗依據。