首都医科大学附属北京天坛医院和北京脑科学与类脑研究所合作，3月26日在神经科学顶级期刊Neuron（《神经元》）发表Comprehensive characterization of metabolic consumption and production by the human brain（《人脑代谢消耗和产生的综合特征谱》），系统描述了大脑从血液循环中摄取以及释放到循环中的代谢物特征（1,365种代谢物和140种脂质）。这项研究为了解人类大脑需要什么代谢物，释放了什么代谢物，以及代谢物在大脑中潜在的病理生理学作用提供了直观依据。  

      首都医科大学附属北京天坛医院为第一作者单位，神经病学中心王伊龙教授、介入神经病学科莫大鹏教授以及北京脑科学与类脑研究所戈鹉平教授为共同通讯作者。北京脑科学与类脑研究所和首都医科大学联合培养博士生周乐波、首都医科大学附属北京天坛医院神经病学中心博士生王楠和博士后邱宝山为共同第一作者。

      大脑是人体复杂而又神秘的器官。从精密的解剖结构，到深奥的意识活动，都依赖于代谢作为物质基础。静息状态下，每分钟约有750-1000毫升的血液从动脉进入大脑，经微循环进行物质交换，最终汇入脑静脉回流。然而，人脑与血液循环代谢物交换的总体情况仍然未知。

      代谢组学测量有助于高通量和全面表征生物体液中的小分子物质。动脉血作为供养来源，从左心室射出流向全身；而经过各脏器组织回流的静脉血则反应了对应器官或组织的代谢特征。动静脉的配对比较一直被用作评估组织代谢的基本方法。

【图片来自 Brain Injury Explanation】

      在这项研究中，该团队利用独特的采样和分析方法——脑静脉窦与股动脉血浆代谢物的配对比较，揭示了人脑摄取和释放代谢物的综合特征。

【样本采集示意图、人脑吸收和释放代谢物火山图以及

重要代谢物动静脉配对散点图（FA：股动脉；CVS：脑静脉窦）】

      代谢物比值（静脉窦浓度/股动脉浓度）< 1表示净吸收，比值 > 1表示净释放。共测量了5,384个离子特征，发现了1,365种由人脑显著吸收或释放的代谢物。其中，738种（13.7％）由大脑吸收， 627种（11.6％）由大脑释放，其余的74.7％保持稳定。定量分析发现葡萄糖的净摄取量最高，吸收率为15.9％，这揭示了大脑能量的主要来源。谷氨酰胺是净释放量最高的代谢物，这反映了谷氨酰胺生成的活跃状态，可能与神经保护相关。

【代谢物在人脑中的绝对摄取/释放量和相对摄取/释放百分比】

      通路富集分析发现大脑释放的代谢物富集于氨酰-tRNA生物合成，精氨酸和脯氨酸代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，谷氨酰胺和谷氨酸代谢以及嘌呤代谢。由大脑摄入的代谢物富集于谷氨酰胺和谷氨酸代谢，谷胱甘肽代谢，氨酰-tRNA生物合成，精氨酸生物合成等重要通路。这些结果表明谷氨酸和谷氨酰胺代谢作为中心途径的重要性，同时也反映了氨基酸、核苷和核苷酸在大脑各种代谢过程中的复杂关系。

【人脑吸收和释放代谢物的通路富集分析】

      为确定人脑摄入或释放的脂类代谢物。靶向脂质组学量化了654种动脉和脑静脉窦的脂质浓度。大脑吸收的脂质主要是甘油三酯，与能量储存相关。磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇和游离脂肪酸是大脑主要释放的脂质类别，它们与细胞膜结构成分相关。

      此外，为了探索大脑代谢与年龄或衰老的关系。该研究将参与者分成18-29岁和40-60岁两个年龄段。两种年龄段的脑代谢状态存在显著差异，代谢物吸收和释放的模式可分为10类。相关性分析发现随着年龄的增长，大脑消耗的葡萄糖逐渐减少，而释放的胆碱逐渐增加。这些变化可能与年龄的增长而大脑代谢活性普遍降低以及学习、记忆活动代偿性增加有关。

【不同年龄段大脑吸收和释放代谢物的模式分析及相关性分析】

      总体来说，本研究通过动静脉配对比较的方法系统描述了人脑从循环中摄取以及释放到循环的代谢物特征，构建了大脑与循环系统代谢物交换的全景图谱。为探索代谢物在健康与疾病状态下对大脑结构与功能的潜在影响提供了参考依据。

      这项工作得到了中国医学科学院医学科学创新基金（CIFMS，2024-I2 M-ZD-012）、STI2030-重大项目（2022ZD0204700）、国家自然科学基金（32170964）和北京市青年学者计划（065）的支持。此外，还得到了北京脑科学与类脑研究所和昌平实验室的资金支持。北京市科学技术委员会（Z221100007422053）、国家自然科学基金（81825007）、首都卫生发展科研专项（2022-2-2045）、国家重点研发计划（2022YFF1501500-5、2017YFC1307900、2017YFC1307905）、北京市青年学者计划（010）、北京市口腔健康实验室（PXM2021_014226_000041）、北京市人才项目（2018A12）、北京市卓越青年科学家计划（BJJWZYJH01201910025030）、国家万人计划、天坛北脑青年人才项目也对这项工作提供了支持。