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人类大脑是一个令人难以置信的能量消耗大户。这个器官仅占身体质量的约 2%，但使用的能量却超过身体总能量的五分之一。在神经元（神经细胞）层面更准确地计算其能量预算对于从功能性磁共振成像（fMRI）分析师到进化生物学家等研究人员来说非常重要。
五十七年前，诺贝尔奖获得者艾伦·霍奇金和安德鲁·赫胥黎提出了一个模型来计算神经元中电化学电流背后的动力——这是在理解大脑如何工作以及如何分配资源方面向前迈出的一大步。唯一的问题是，他们的研究对象不是人，甚至不是啮齿动物，而是一只鱿鱼。* 今天，研究人员宣布，他们已经找到了一个更准确的哺乳动物大脑模型，该模型将哺乳动物大脑的一些活动效率提高到比基于鱿鱼的方程式高三倍。
为了传递信息，化学信号在数万亿个脑细胞突触（神经元之间的连接）之间传递。一些大脑能量预算中提出了动作电位传播和突触传递之间 50-50 的能量使用分配（这些预算确实假设动作电位传播贡献的部分是理论最小值的四倍，正如霍奇金-赫胥黎模型所暗示的那样——但只有当您知道突触传递的贡献是什么时，您才能得出关于 50-50 分配的结论，例如；霍奇金和赫胥黎的模型没有告诉我们突触传递的能量成本是多少），罗斯指出。**
这项新研究于今天在线发表在《科学》杂志上，该研究提出，在哺乳动物大脑中，分裂实际上更接近于尖峰（动作电位）占 15%，随后的突触变化占 85%。尽管总能量使用量似乎相同，但这种划分可能对理解现代大脑如何发展具有重要意义。
哺乳动物如何在前端节省如此多的能量？霍奇金和赫胥黎的鱿鱼大脑发射了更多重叠的离子，需要更多能量来重建电化学差异。然而，哺乳动物的大脑似乎将离子的运动间隔开，从而减少了动作发生后所需的电荷差异恢复量。“您跨越的电荷越少，您重建梯度的能量就越少，”皮埃尔·马吉斯特雷蒂说，他是瑞士洛桑联邦理工学院生命科学学院—脑智研究所主任，他在《科学》杂志上撰写了一篇随附的观点文章。
研究大脑的科学家经常依赖能量预算来估计能量输入和消耗的分配。“为这些预算得出数字很困难，”阿恩德·罗斯说，他是该研究的作者之一，也是伦敦大学学院沃尔夫森生物医学研究所的高级研究员。“这不是他们的错，”他谈到那些一直在现已被证伪的假设下工作的研究人员时说。
马吉斯特雷蒂说，这些发现可能会结束“关于这些过程中哪一个能量成本最高的长期争论”。然而，可能仍然有一些怀疑者：这项新研究是在大鼠身上进行的，但罗斯相当有信心，结果对于人类来说是相似的。“我们现在有另一个模型”来取代半个世纪前的霍奇金-赫胥黎方程，他说，并补充说，在大鼠的轴突中，“形状相似；涉及相同的分子，因此这应该表明它们在人身上也应该表现相似”。罗斯和他的团队的测试仅限于海马体中的轴突，他指出，应该测试大鼠大脑其他部位的轴突，以确保能量使用在整个大脑中是标准的。
新的比率将如何影响脑部图像的分析仍然存在争议。正如马吉斯特雷蒂指出的那样，“所有用于探索大脑活动的功能性脑成像技术，功能性磁共振成像或 PET（正电子发射断层扫描），都测量了在比其他区域更活跃的区域中能量的使用”。但这些类型的成像只是间接地测量这种能量使用，因此，罗斯说，“这取决于功能性磁共振成像人员来接受这一点，并决定这对他们看到的信号意味着什么。”
巨型鱿鱼和小鼠之间效率存在如此巨大的差异，这引发了罗斯和其他对大脑如何进化感兴趣的人的一些重大问题。“令人好奇的是，在鱿鱼中[能量使用]似乎不是最优的，”他说。他推测，这种差异可能是因为鱿鱼更依赖其神经元来传递快速行动以逃生，从而牺牲了能量效率来换取速度。反过来，对效率的偏好可能使哺乳动物能够进化得更聪明——如果可能的话，反应更慢。
这样的命题引发了其他问题：最佳效率率是多少？其他一些权衡是什么，例如可靠性？
最终，罗斯觉得奇怪的是，这样一个巨大的错误在有可能进行测试多年后仍然持续存在。但效率数字被如此广泛地接受，以至于它只是“存在于人们的脑海深处——而不是最前面，”他说。没有人花时间去调查：“它必须是那样的吗？这是自然规律吗？”
*更正（09/14/09）：这句话最初将霍奇金和赫胥黎研究的物种称为巨型鱿鱼。 **注（09/14/09）：这句话已修改，以更清楚地解释突触传递的过程。