重大发现！大脑衰老与代谢废物清除关联揭示关键机制

为探究脑衰老与功能丧失机制，研究人员用 HoMod 模型分析 PET 数据，发现老年人 CBF 变化致 pCO2、pH 失衡，影响认知。

　　大脑，如同人体精密的 “中央指挥官”，随着年龄增长，却悄然发生着变化。不少老年人会发现，自己的记忆力大不如前，反应也变得迟钝，曾经得心应手的事情如今做起来却有些吃力。这背后的原因是什么呢？在脑科学研究领域，尽管科学家们对大脑衰老的神经影像学关联进行了大量研究，但对于这些变化如何与大脑功能丧失相联系，却知之甚少。以往关于脑血流量（CBF）在支持大脑功能方面的研究，大多聚焦于氧气和葡萄糖的供应，却忽略了 CBF 在清除能量代谢副产物，如二氧化碳（CO₂）和质子方面的重要作用。那么，年龄相关的区域 CBF 减少，是否会导致大脑二氧化碳分压（pCO₂）和 pH 值异常，进而影响大脑活动和认知功能呢？为了揭开这些谜团，来自美国明尼苏达大学、意大利 Netabolics SRL 等多个机构的研究人员展开了一项深入研究，相关成果发表在《Scientific Reports》杂志上。

研究人员采用了一种新开发的稳态建模方法 “HoMod”，该方法能够综合考虑营养物质和代谢废物的平衡。他们利用回顾性、公开可用的神经影像学 PET 数据，这些数据来自 Goyal 及其同事对不同年龄段健康成年人的研究。研究人员重点关注了年轻组（21 - 35 岁，n = 56）和老年组（60 - 76 岁，n = 73），旨在探究老年人 CBF 区域减少是否会导致影响认知功能的相关指标改变。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是利用 PET 测量不同年龄段人群的脑血流量（CBF）和氧消耗率（CMRO₂）；二是运用 HoMod 模型，基于 PET 测量数据计算静脉血二氧化碳分压（pCO₂^V）、脑组织氧分压（pO₂^T）和静脉血 pH 值（pH^v）。通过这些数据，研究人员进行了一系列统计分析，以探究年龄相关的差异。

研究结果令人瞩目。通过 Lilliefors 检验发现，HoMod 计算出的 pCO₂^v、pO₂^T和 pH^v在各年龄组的感兴趣区域（ROI）中均无显著偏离正态分布。对比老年组和年轻组，研究人员发现，在大多数皮质灰质 ROI、部分深部脑实质 ROI 和少数白质 ROI 中，pCO₂^v、pO₂^T和 pH^v存在显著差异。具体数据显示，老年组全脑的 HoMod 计算 pCO₂^v平均比年轻组高 1.28（范围 0.52 - 2.14）torr，pO₂^T平均低 1.79（范围 0.69 - 2.92）torr，pH^v酸移 0.006 pH 单位（范围 0.003 - 0.010）。这些差异在额叶前区、尾状核和壳核等区域尤为明显。

进一步分析发现，年轻成年人的氧提取分数（OEF）分布均匀，使得 pCO₂^v、pO₂^T和 pH^v维持在稳定的生理范围内。而老年人脑血流量减少，OEF 增加，导致这些指标偏离稳态。例如，部分老年人的 pCO₂^v升高超过 2 torr，可能对大脑电活动产生显著影响；还有部分老年人的 pO₂^T下降超过 10%，这可能影响大脑的认知和感觉功能。

在讨论部分，研究人员指出，这是首次利用稳态建模预测神经血管健康下降（如衰老引起的）对大脑营养物质和代谢废物水平的影响。该研究表明，老年人较低的脑血流量伴随着大脑 pCO₂^v和 pH^v稳态的改变，这为解释衰老过程中血管健康下降与大脑功能减退之间的关系提供了新的机制。此前研究已证实，即使是动脉 pCO₂少量增加，也会改变大脑电活动和认知功能。而本研究计算表明，部分老年人 pCO₂^v升高可能达到影响大脑电活动的阈值。此外，大脑 pH 值的变化也与认知功能密切相关，细胞和间质 pH 的改变可通过多种途径影响神经元信号传导。同时，研究还发现老年人脑 pO₂^T水平下降，可能影响线粒体 ATP 合成，进而影响大脑认知功能。

不过，该研究也存在一些局限性。例如，研究具有回顾性，使用的公共数据库缺乏一些大脑健康指标的比较信息；未考虑非氧化糖酵解在静息状态下的影响；假设微血管参数在各年龄组恒定，但实际可能存在差异。未来研究可进一步改进这些方面，如直接在体素水平应用 HoMod 模型，结合更多先进的成像技术，更全面地研究大脑代谢和血管变化与认知功能的关系。

总的来说，这项研究为大脑衰老机制的研究开辟了新的方向，揭示了代谢废物清除在大脑衰老过程中的关键作用。HoMod 模型为改善大脑健康提供了新的概念框架，不仅有助于理解衰老相关的大脑功能变化，还可能为痴呆、中风等其他神经系统疾病的治疗提供新的靶点和思路，有望推动大脑健康研究领域的进一步发展。