神经元信息编码的代谢消耗:动作电位与能量效率

摘要

人脑是一个高效、可靠的信息处理系统,它主导着个体的认知、情感、意识与行为,这些功能的实现需要不断地消耗代谢能量.大脑的能量需求主要被神经元信息编码所消耗,相应的亚细胞过程包括产生和传导动作电位、维持静息电位以及突触传递.神经元编码信息的主要载体是动作电位序列,它的产生与传导贡献了大脑的大部分代谢消耗.动作电位的能量消耗受离子通道的生物物理特性控制.生物物理特性的细胞特异性和空间异质性使得动作电位对代谢能量的利用效率呈现高度可变性,它为理解神经元代谢消耗的规律、起因与结果带来了挑战.本文首先介绍参与神经元编码的亚细胞过程及它们在大脑和小脑皮层中的代谢消耗,然后详细梳理近年来关于动作电位代谢消耗的研究成果,重点讨论影响其能量效率的生物物理因素和放电形状特性,并归纳总结放电消耗的特点,最后对未来神经元编码的代谢消耗研究进行展望.