神经元为什么像树

神经科学家经常思考树枝和神经元树突之间的相似之处。事实上，神经科学家的词汇表中就包含“树突棘”和“树突树”。我认为，树枝和神经元树突的结构都是由分子和细胞机制决定的，这些机制能够最大限度地获取能量并提高效率，这也解释了两者之间的相似性。

树木和血管的分支模式呈现出所谓的“分形几何”。波兰数学家贝努瓦·曼德尔布罗特在发展自然界自相似性理论时创造了“分形”一词。树枝和血管的结构被认为是分形的，因为它们可以通过简单的递归分支规则产生（Glenny 2011）。就血管而言，它们最初是由心脏长出的单根主干；就树木而言，它们则是由地面长出的单根树干。对人类肺部血管的分析表明，肺动脉分支有约7 000万个毛细血管前小动脉和2 800亿个毛细血管段。随着分叉，血管直径逐渐变小。这种模式类似于树枝。不同种类的树木有不同的分枝模式，能把不同树种区分开。不过，所有的分枝模式都呈现出分形几何。与树一样，不同类型的神经元也有不同的分支模式。例如，小脑中的浦肯野细胞具有精心设计的“树干”，看起来非常像树；而海马中的锥体细胞则表现出类似分形的灌木状分支（图5–1）。

树木及其他植物枝条的生长方式能最大限度地提高它们从阳光中获取能量的能力，它们会朝向阳光照射最充足的地方生长，这个过程被称为“向光性”。树枝末梢的叶子利用阳光中的紫外线，从空气中获取二氧化碳来制造葡萄糖，并在这个过程中产生氧气。整个植物的细胞利用光合作用产生的葡萄糖来生产所有细胞的能量货币——ATP。植物可以将葡萄糖储存在复合碳水化合物和脂肪中。食草动物利用碳水化合物和脂肪在线粒体中产生ATP，生产ATP的过程是用氧气中的电子驱动的。因此，植物和动物之间存在着一个碳循环，植物利用二氧化碳生产葡萄糖，动物利用植物产生的氧气和葡萄糖生产ATP。

美国亚利桑那大学的生物学家布赖恩·恩奎斯特和卡尔·尼克拉斯精心测定了森林中不同树木的分枝模式（Enquist and Niklas 2001）。二人发现，所有树木的分枝都遵循相同的数学规则。例如，在所有树木中，母枝与其子枝的长度和直径之比相同。这些规则还决定了新枝的形成位置及枝条的大小和形状。恩奎斯特认为，分枝规则可以最大限度地提高植物接受阳光和消耗空气中二氧化碳的能力。分枝规则也适用于树木的根系，可以使根最大限度地获取水分和养分。森林中的所有树木都在相互竞争，争夺有限的阳光、二氧化碳、水和土壤中的养分。

我在第3章介绍了谷氨酸受体激活如何导致Ca ²⁺ 流入，又在大脑发育过程中雕塑了神经元结构。植物学家最近发现，谷氨酸也会影响植物形态发生的许多方面。这项研究的开展主要利用拟南芥。英国兰卡斯特大学的植物生物学家布赖恩·福德发现，对生长中的根施用谷氨酸会抑制根的伸长，同时又会刺激根的分枝（Forde2014）。谷氨酸会抑制根尖分生组织细胞的分裂，同时促进侧根的萌发和生长。这样，谷氨酸就能使根的表面积最大化，以便吸收水分和养分。与谷氨酸对树突生长的影响一样，Ca ²⁺ 介导了谷氨酸对根生长的影响。分子生物学家米丽娅姆·沙彭蒂耶及其同事进一步阐明了Ca ²⁺ 如何控制植物根系的生长。他们的研究表明，根的生长是由Ca ²⁺ 通过根细胞核膜上的离子通道来控制的。“钙（Ca ²⁺ ）是一种普遍的调节元素，它将关键的生物和非生物信号与许多细胞过程紧密联系在一起，使植物和动物能够发育并适应环境刺激”（Leitao et al. 2019, 2）。我完全同意沙彭蒂耶的说法。

我认为，与植物枝条上的叶片最大限度地获取阳光类似，树突和轴突末梢的生长锥和突触也在寻求最大限度地获取能量。但就树突和轴突而言，能量的获取是间接的。树突和轴突要最大限度获取的不是阳光，而是神经营养因子（如BDNF）。然后，BDNF会激活树突或轴突内部的受体和信号通路，从而增加线粒体的数量，以增加局部的ATP供应，支持轴突和树突的生长和分支。

我在巴尔的摩美国国家老龄化研究所有个实验室，神经科学家程爱武在那儿工作的时候发现，BDNF为了促进海马谷氨酸能神经元之间新突触的形成，需要增加树突中线粒体的数量。程爱武的实验借鉴了之前研究肌肉细胞的科学家的研究成果。这些肌肉细胞的研究表明，定期锻炼可以增加肌肉细胞内线粒体的数量，这一过程称为“线粒体生物合成”，在这个过程中，单个线粒体会分裂并增大。研究发现，肌肉细胞在运动时会激活转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 辅激活因子 α （PGC-1 α ），由此被激活的基因会编码对线粒体分裂和生长至关重要的蛋白质。分子生物学家已经确定了PGC-1 α 诱导的几种不同基因，这些基因会编码线粒体生长和分裂所需的蛋白质。这些蛋白质包括被称为“外膜转运酶”（TOM）的蛋白质，它能将蛋白质移入线粒体；线粒体转录因子A（TFAM），它能诱导电子传递链蛋白质的表达；以及蛋白质去乙酰化酶3（SIRT3），它能改善线粒体对压力的抗性。

为了确定线粒体生物合成是否对发育过程中突触的形成和维持具有重要作用，程爱武首先对培养的海马神经元做了实验（A. Cheng,Wan, et al. 2012），她使用了一种标记线粒体的荧光探针，结果显示神经元中的线粒体数量随着神经元的生长和与其他神经元形成突触的过程而急剧增加。随后，她利用一种被称为“RNA干扰”的最新技术，选择性地阻止任何蛋白质的产生。第一步是制造一种小型合成RNA，其序列与mRNA中编码目标蛋白质的序列互补。在程爱武的实验中，小干扰RNA的目标是编码PGC-1 α 的mRNA。

为了将小干扰RNA导入培养的海马神经元，程爱武利用了腺病毒，这种病毒可以通过基因编辑产生大量小干扰RNA。腺病毒很容易感染神经元，而不会产生不良影响。程爱武发现，当PGC-1 α 水平降低时，线粒体生物合成减少，海马神经元之间形成的谷氨酸能突触数量减少。我们已经知道，谷氨酸和BDNF在突触的形成过程中起着至关重要的作用。不出所料，程爱武发现，当她让培养的神经元接触BDNF时，突触的数量增加了。然而，当她从神经元中去除PGC-1 α 后，BDNF就不再能促进突触的形成了。在另一项实验中，程爱武将带有PGC-1 α 小干扰RNA的腺病毒注射到成年小鼠的海马中。几周后，海马神经元上的突触数量减少，这表明线粒体生物合成对维持已经形成的突触至关重要。

层出不穷的研究结果表明，人们有可能通过三种方式来增加大脑神经元中线粒体的数量，即参与智力挑战、定期锻炼和间歇性禁食。这三种提高神经元产生ATP能力的方式有一个共同点，那就是它们都是间歇性的生物能挑战。我将在第11章专门讨论这三种方式的调整如何改善整个大脑中谷氨酸能和GABA能神经元回路的功能和复原力。 4E5d2nHg1yL3z5vaJ7cB1YQbbxMCWbOGKaSB9LLzPn0d6VogGweBqlAzQ/0ibxWv