每年，医生诊断出大约 60,000 名美国人患有帕金森病，这是一种无法治愈的神经退行性疾病，其首要风险因素是年龄。全球估计目前有 700 万至 1000 万人患有此病。随着美国和全球人口老龄化，了解其病因变得越来越紧迫。
到目前为止，研究人员了解到帕金森病涉及大脑几个受限区域的细胞死亡，包括黑质 (SNc)，它是中脑中两个大的细胞群之一，容纳着大量的多巴胺神经元。这些细胞释放多巴胺，并参与多种功能，包括奖励处理和自主运动。它们的死亡会导致运动控制和平衡问题，这些是该疾病的核心症状。
新的研究表明，这些在帕金森病中风险最高的脑细胞，由于其高度 branching 的结构，需要异常大量的能量来执行其任务。就像一辆发动机过热的大型汽车一样，这些神经元容易衰竭和过早死亡。这一发现来自于对黑质多巴胺神经元和附近腹侧被盖区 (VTA) 中类似神经元能量使用的比较，VTA 也位于中脑中。“我们试图了解为什么黑质的多巴胺神经元在帕金森病患者中死亡，而有那么多其他脑细胞根本没有问题，”蒙特利尔大学的神经科学家、8 月 27 日《当代生物学》发表的研究的资深作者 Louis-Eric Trudeau 说。
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尽管黑质神经元和腹侧被盖区神经元几乎并排定位，但黑质神经元消耗的能量比腹侧被盖区神经元多得多，并且它们的线粒体（细胞中产生能量的结构）持续以最大容量工作。在进一步检查中，研究人员发现，这些能量消耗大户细胞的巨大需求源于它们的大小大约是腹侧被盖区邻近细胞的两倍。黑质神经元也有更多的轴突延伸。就像一棵有很多树枝的树一样，较大的神经元需要更多的能量才能生存和执行其功能。
当实验者通过添加信号素（一种抑制神经生长的轴突引导蛋白）来减少这种 branching 时，它降低了这些神经元中的线粒体活动、能量消耗和脆弱性。不幸的是，这种方法会损害幸存的神经元，这些神经元需要增加其 branching，尤其是在衰老的大脑中，以接管和补充多巴胺储备。
关于 广泛的轴突 branching 导致与帕金森病有关的多巴胺神经元脆弱性的假设过去已被提出，但这是第一个在实验室中检验这些说法的研究。拉瓦尔大学研究神经退行性疾病的教授 André Parent 说，目前尚不清楚这些发现是否也能在活体动物身上获得，他没有参与这项研究。
随着年龄的增长，我们所有人都会失去多巴胺神经元。这对大多数人来说不是问题，因为随着神经元的丢失，其他幸存的神经元会接管。然而，在某些个体中，达到了神经元丢失的“临界阈值”，剩余的细胞不再能够补偿。“帕金森病是一种多重打击疾病，”Trudeau 说。“要患上这种疾病，你需要几件事：衰老过程以及基因突变或暴露于环境毒素。也许我们所有人的神经元都处于危险之中，最终会在老年时死亡。但我们没有第二次‘打击’来增加这些细胞的压力，从而导致疾病的发展。”黑质中的大型多巴胺细胞需要额外的能量来运转，而这种长期升高的压力使它们更容易受到基因突变、环境影响和衰老的影响，这可能就是为什么它们是最早死亡的一部分。
Trudeau 和他的团队现在正着眼于利用这项发现的结果来改进帕金森病啮齿动物模型，以便它们能够更好地模拟灵长类动物大脑中发生的情况。由于灵长类动物的大脑更大，多巴胺神经元需要覆盖更多的区域，可能需要它们建立更多的连接并消耗更多的能量。目前，科学家甚至不确定大鼠或小鼠是否会患上帕金森病，这可能是因为它们的细胞太小。未来的研究有望揭示大小对大脑的重要性。