第二节　脑代谢

一、脑氧代谢和糖代谢

脑为高级神经活动，功能复杂，能量消耗特别多。脑组织中没有氧储存，氧代谢完全来自脑血流。神经组织从血液中摄取氧的能力（Oxygen Extraction Factor，OEF）是脑代谢的重要指标。脑组织中糖原的储存也非常有限，所以脑组织需要持续地从血中获得氧和葡萄糖，以维持正常神经功能，包括细胞膜蛋白结构的完整和神经递质的合成。脑组织的能量代谢中，大约60%的能量用来维持神经生理功能，40%的能量用来维持中枢神经系统结构的完整性。正常人脑葡萄糖的消耗量大约是23µmol/（100g·min），葡萄糖的供给存在一个安全范围。正常人体血中15%的葡萄糖通过毛细血管床穿越血-脑屏障，进入脑组织。进入脑组织的葡萄糖大约1/3又会返回到毛细血管中，这样动静脉之间葡萄糖相差10%，在细胞外和脑脊液中蓄集的葡萄糖占脑血液中葡萄糖的40%。如果葡萄糖的消耗突然增加，那么返回毛细血管和细胞外蓄集的葡萄糖均会减少。

在正常情况下，脑所需的葡萄糖主要是来自肝储存糖原的分解，部分来自肌肉的肌糖原，一小部分来自其他器官。脑中的葡萄糖主要进行有氧代谢，而通过无氧代谢的量仅是5%～15%。在平静状态下，脑中氧和葡萄糖消耗的摩尔比值（OGI）是恒定的，大约是6左右。这种情况下脑组织中葡萄糖基本全部有氧氧化成CO2和水，仅有少量的乳酸产生。但在脑活动时，葡萄糖和氧的消耗均会增加，但葡萄糖的消耗大于氧的消耗，氧和葡萄糖的摩尔消耗比值下降到4左右。这就说明，大脑在活动中仅有60%的葡萄糖被氧化利用。脑的每个部位因功能和结构各不相同，对葡萄糖的消耗也不相同，并且随年龄的变化而改变。

二、脑中氨基酸和蛋白质代谢

脑中氨基酸是脑内氮的主要来源，是维持脑的功能和结构完整的基础。它不仅是脑内的代谢物质，而且对物质代谢有调节功能。脑内氨基酸和血中氨基酸的浓度不同，存在着自身调节机制。血中氨基酸能迅速和脑中的氨基酸进行交换，但脑中氨基酸的含量较少。脑中氨基酸的来源有两种途径：大部分氨基酸是通过载体系统进入脑细胞的；小部分是由脑中葡萄糖转化而来，主要是非必需氨基酸。

蛋白质的合成主要是在细胞体进行，轴突中也有少量合成。人脑不能直接合成α氨基酸，是依赖于植物和微生物产生，因此蛋白质和卟啉来源于氨。机体必须利用氨甲基磷酸盐合成酶和谷氨酸合成酶合成氨甲基磷酸盐和谷氨酸盐。这两种物质是非常重要的氮源，他们为许多生物合成提供原料，并且在形成尿素、嘌呤、嘧啶等许多信息和功能产物起重要作用。

人脑的氨基酸不仅是重要的氮源，而且在特殊情况下，也可提供能量。近年研究发现，当人脑摄取葡萄糖不足，能量缺乏时，脑血流氨基酸的摄入增加，特别是丙氨酸增加明显。

三、脑中脂类代谢

脂类是人脑的重要组成部分，它不仅参与人脑内的重要结构的形成，而且是人脑正常功能活动不可缺少的物质。脂类的代谢异常与很多先天性神经疾病相关。脑中脂类主要包括胆固醇、脑苷脂、磷脂酰乙醇胺和神经磷脂。

胆固醇是脑内含量最多的脂类物质，尽管人类大脑重量仅占体重的2%，脑内胆固醇和胆固醇的衍生物占人脑总重量的25%。胆固醇在中枢系统中作用十分广泛，它是类固醇激素和髓磷脂合成的前体，同时也具有形成脂质膜功能区域的潜能。胆固醇合成的高峰是在出生后的几周内，也是神经髓鞘合成的高峰期。在少突胶质细胞中胆固醇合成缺乏可延迟神经髓鞘的形成。除神经胶质细胞外，其他神经细胞都可合成胆固醇。

多不饱和脂肪酸是脑组织的重要组成部分，具有多种生理功能。多不饱和脂肪酸调节信号传导、维持细胞生存、参与神经炎症反应。在很多神经性疾病中发现有多不饱和脂肪酸代谢紊乱，所以目前多不饱和脂肪酸代谢已成为很多疾病治疗的靶点。

神经鞘脂类也是髓鞘的组成部分，脑中进行着神经氨基醇、神经酰胺、脑苷脂和糖鞘脂的合成和降解。在髓鞘化过程中，脑苷脂，尤其是硫酸脑苷脂的合成代谢最为活跃。神经节苷脂是特征性的作为神经元的组成部分，在突触小体中含量最为丰富。从出生到成年，脑神经节苷脂浓度增大2倍。

四、脑中核苷酸代谢

脑和其他组织一样，能储存核酸和传递遗传信息，并将这些信息翻译成蛋白质。核苷酸对维持脑组织正常生理功能起重要的作用。细胞外的嘌呤核苷酸是脑中核苷酸的重要组成部分，它参与神经递质的一般调节和特殊调节。嘌呤核苷酸在脑中不能直接合成，但可以分解代谢。由于脑功能活动随脑特定区域而异，脑中RNA含量变化并非均匀一致，其代谢速度随神经功能活动而变化。短期强烈刺激后，脑中RNA含量增高，但长期刺激后却趋于降低。

五、脑中铁的代谢

脑组织和其他组织一样，铁代谢是维持其正常结构和功能不可缺少的。脑中铁是通过血浆摄取，通过血-脑屏障和血脑脊液屏障转运进入脑组织。进入脑中的铁和排出的维持平衡，铁从脑中通过静脉回流进入循环系统的机制还不很明确。血-脑屏障的内皮细胞应该对铁的排出具有调节功能。

铁代谢的调节分为基因调节和非基因调节。基因调节是在基因的水平上控制铁代谢中的相关蛋白，来调节整个过程。在很多神经退化疾病中，调节蛋白基因的缺失和突变是疾病发生的主要原因。但是许多情况下，铁代谢紊乱并非基因的突变或缺失导致的，而是非基因因素引起的。这些目前还不能检测出的因素可能干扰了蛋白质表达导致脑中铁代谢的紊乱。

六、脑功能和脑代谢的关系

脑是思维、活动和控制其他组织的起源，因此它被认为是最重要的器官。脑的功能十分复杂，这就要求在神经元和胶质细胞周围有持续而稳定的微环境和充足的能量供应。脑功能和脑代谢之间关系密切，具有明显的相关性。脑功能活动加强时，脑代谢增强，脑功能抑制时，脑的代谢减弱。大脑在工作时，脑细胞的耗能主要是来源于葡萄糖的氧化作用。在这种情况下脑血流增加，以提供足够的葡萄糖和氧产生能量。脑的正常功能的维持要求在氧的供应和氧的需求上持续调节，达到氧平衡。脑活动加强时不仅能量供应增强，脑的氨基酸代谢、脂肪代谢、核苷酸代谢等均增强。在脑活动增强时，脑的各部位代谢的改变各不一致，与这部分脑的功能相一致。

七、年龄、性别和脑代谢的关系

脑代谢与年龄和性别具有相关性，随着年龄和性别的不同，脑的代谢也发生着变化。过去报道认为正常成年人随年龄的增加，脑的代谢率逐渐降低。但是近年的研究发现，在排除脑萎缩的条件下进行脑代谢率的测量，并非脑的所有部位均随年龄的增加代谢率降低，相反有些区域随年龄增加代谢率明显增加，呈线性正相关。同样，过去的研究认为男女之间脑代谢率存在差异，男性脑代谢率要高于女性，但近年来的发现对过去的结论提出了异议。最近的研究表明：①海马和杏仁核，20～50岁随年龄的增加代谢率呈线性上升；在50～70岁随年龄的增大代谢率呈线性降低。②在前部脑叶，20～50岁随年龄的增加代谢率逐渐降低，在50～70岁则随年龄变化无明显变化。③在扣带回的前后部，50～70岁代谢率随年龄增加而降低，20～50岁时则无明显变化。④大脑皮质的前中部代谢率随年龄变化与扣带回前后部相同。⑤在壳核，男性20～50岁代谢率随年龄的增加而增加，50～70岁基本无明显变化。但在女性20～70岁的整个过程都无明显改变。⑥丘脑，男性20～50岁代谢率随年龄增加而增加，50～70岁之间无明显改变。女性则相反，20～50岁之间无明显变化，50～70岁代谢率逐渐增加。在脑代谢与性别方面差异主要表现在：20～50岁之间，在海马、感觉运动区、颞区、小脑蚓部及丘脑存在性别差异；50～70岁除小脑蚓部外，其他区域均无性别差异。

八、脑代谢成像

（一）氧磷荧光寿命成像（PLIO2）

氧磷荧光寿命成像，是利用测量外源性造影剂的氧依赖性磷光寿命，可以使用广泛的光学成像系统，如广场电荷耦合器件（CCD）成像或不同的显微镜模式来成像脑血管内和组织氧合。结合PLIO2与TPM使得能够测量皮质氧递送，在组织和深微血管系统中具有亚毛细血管分辨率。探针的磷光寿命取决于探针附近的氧分压（PO2），提供溶解氧的空间局部测量，具有高度封装，确保在复杂的生物环境中的稳定性。

（二）氧气消耗

如上所述，OISI，PAT和NIRS都能够通过吸收光谱测量血红蛋白氧合，而PLIO2可以测量血液和组织中的PO2。组织氧消耗通常基于流入通过动脉的区域和通过静脉流出的氧之间的差异来估计。因此，将氧的光学测量与流量的测量组合，可以估计氧消耗。这可以通过组合OISI与LSCI，组合PLIO2与LSCI和多普勒OCT，使用PAT，以及使用NIRS与DCS组合来进行。

（三）代谢辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和FAD是能量代谢的重要辅酶，并且本身具有内在荧光。体内研究通常集中于测量NADH或FAD荧光的变化。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸荧光变化可以作为糖酵解和氧化磷酸化之间平衡的测量指标。单光子NADH和FAD成像用于反映皮层活动，其代谢的增加变化比CBF更快。脑切片中NADH的双光子成像表明氧化和非氧化代谢的比例和时间变化在神经元和星形胶质细胞中可以不同。NADH的双光子成像已经应用于健康大脑皮层和实验诱导的皮层扩散抑制的检测。

（四）荧光葡萄糖

FDG正电子发射断层扫描能够进行体内测量，此检测需要数十分钟的放射性葡萄糖积累。荧光葡萄糖类似物提供激发能量来估计体内葡萄糖转运到个体细胞中，但仍需要在几分钟内累积葡萄糖类似物。此外，由于各葡萄糖转运蛋白相对于葡萄糖和荧光葡萄糖类似物的动力学参数的差异，以及神经元和神经胶质细胞中存在不同的葡萄糖转运蛋白，数据的解释可能是复杂的。目前仍需要新型葡萄糖探针或葡萄糖荧光传感器的进一步发展以解决这些挑战。

（郝强　赵元立）