首都醫科大學附屬北京天壇醫院和北京腦科學與類腦研究所合作，3月26日在神經科學頂級期刊Neuron（《神經元》）發表Comprehensive characterization of metabolic consumption and production by the human brain（《人腦代謝消耗和產生的綜合特征譜》），系統描述了大腦從血液循環中攝取以及釋放到循環中的代謝物特征（1,365種代謝物和140種脂質）。這項研究為了解人類大腦需要什么代謝物，釋放了什么代謝物，以及代謝物在大腦中潛在的病理生理學作用提供了直觀依據。  

      首都醫科大學附屬北京天壇醫院為第一作者單位，神經病學中心王伊龍教授、介入神經病學科莫大鵬教授以及北京腦科學與類腦研究所戈鵡平教授為共同通訊作者。北京腦科學與類腦研究所和首都醫科大學聯合培養博士生周樂波、首都醫科大學附屬北京天壇醫院神經病學中心博士生王楠和博士后邱寶山為共同第一作者。

      大腦是人體復雜而又神秘的器官。從精密的解剖結構，到深奧的意識活動，都依賴于代謝作為物質基礎。靜息狀態下，每分鐘約有750-1000毫升的血液從動脈進入大腦，經微循環進行物質交換，最終匯入腦靜脈回流。然而，人腦與血液循環代謝物交換的總體情況仍然未知。

      代謝組學測量有助于高通量和全面表征生物體液中的小分子物質。動脈血作為供養來源，從左心室射出流向全身；而經過各臟器組織回流的靜脈血則反應了對應器官或組織的代謝特征。動靜脈的配對比較一直被用作評估組織代謝的基本方法。

【圖片來自 Brain Injury Explanation】

      在這項研究中，該團隊利用獨特的采樣和分析方法——腦靜脈竇與股動脈血漿代謝物的配對比較，揭示了人腦攝取和釋放代謝物的綜合特征。

【樣本采集示意圖、人腦吸收和釋放代謝物火山圖以及

重要代謝物動靜脈配對散點圖（FA：股動脈；CVS：腦靜脈竇）】

      代謝物比值（靜脈竇濃度/股動脈濃度）< 1表示凈吸收，比值 > 1表示凈釋放。共測量了5,384個離子特征，發現了1,365種由人腦顯著吸收或釋放的代謝物。其中，738種（13.7％）由大腦吸收， 627種（11.6％）由大腦釋放，其余的74.7％保持穩定。定量分析發現葡萄糖的凈攝取量最高，吸收率為15.9％，這揭示了大腦能量的主要來源。谷氨酰胺是凈釋放量最高的代謝物，這反映了谷氨酰胺生成的活躍狀態，可能與神經保護相關。

【代謝物在人腦中的絕對攝取/釋放量和相對攝取/釋放百分比】

      通路富集分析發現大腦釋放的代謝物富集于氨酰-tRNA生物合成，精氨酸和脯氨酸代謝，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝，谷氨酰胺和谷氨酸代謝以及嘌呤代謝。由大腦攝入的代謝物富集于谷氨酰胺和谷氨酸代謝，谷胱甘肽代謝，氨酰-tRNA生物合成，精氨酸生物合成等重要通路。這些結果表明谷氨酸和谷氨酰胺代謝作為中心途徑的重要性，同時也反映了氨基酸、核苷和核苷酸在大腦各種代謝過程中的復雜關系。

【人腦吸收和釋放代謝物的通路富集分析】

      為確定人腦攝入或釋放的脂類代謝物。靶向脂質組學量化了654種動脈和腦靜脈竇的脂質濃度。大腦吸收的脂質主要是甘油三酯，與能量儲存相關。磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和游離脂肪酸是大腦主要釋放的脂質類別，它們與細胞膜結構成分相關。

      此外，為了探索大腦代謝與年齡或衰老的關系。該研究將參與者分成18-29歲和40-60歲兩個年齡段。兩種年齡段的腦代謝狀態存在顯著差異，代謝物吸收和釋放的模式可分為10類。相關性分析發現隨著年齡的增長，大腦消耗的葡萄糖逐漸減少，而釋放的膽堿逐漸增加。這些變化可能與年齡的增長而大腦代謝活性普遍降低以及學習、記憶活動代償性增加有關。

【不同年齡段大腦吸收和釋放代謝物的模式分析及相關性分析】

      總體來說，本研究通過動靜脈配對比較的方法系統描述了人腦從循環中攝取以及釋放到循環的代謝物特征，構建了大腦與循環系統代謝物交換的全景圖譜。為探索代謝物在健康與疾病狀態下對大腦結構與功能的潛在影響提供了參考依據。

      這項工作得到了中國醫學科學院醫學科學創新基金（CIFMS，2024-I2 M-ZD-012）、STI2030-重大項目（2022ZD0204700）、國家自然科學基金（32170964）和北京市青年學者計劃（065）的支持。此外，還得到了北京腦科學與類腦研究所和昌平實驗室的資金支持。北京市科學技術委員會（Z221100007422053）、國家自然科學基金（81825007）、首都衛生發展科研專項（2022-2-2045）、國家重點研發計劃（2022YFF1501500-5、2017YFC1307900、2017YFC1307905）、北京市青年學者計劃（010）、北京市口腔健康實驗室（PXM2021_014226_000041）、北京市人才項目（2018A12）、北京市卓越青年科學家計劃（BJJWZYJH01201910025030）、國家萬人計劃、天壇北腦青年人才項目也對這項工作提供了支持。