腦健康營養的新視角｜#03

我們即使熟睡了，大腦也不會真正「關機」。

你在睡覺，大腦卻仍持續進行記憶整理、細胞維護、代謝調節，以及各種維持生命所需的基礎工作。

醒著時，大腦的運作就更加快速而密集。

從看見一個畫面、回想一段往事，到做出判斷、控制動作，大腦裡龐大的神經網路幾乎時時刻刻都在運作。

而所有這些工作，都需要能量。

成人大腦的重量大約只占體重的 2%，在靜息狀態下，卻約占全身能量消耗的 20%。

當我們開始閱讀、思考、學習或執行任務時，相關腦區的神經活動與局部能量需求還會再提高一些。

那麼，大腦日夜持續運作所需要的能量，究竟從哪裡來？

答案就在細胞裡一個非常重要的構造——

粒線體（Mitochondria）。

它就像細胞裡的「能量轉換工廠」，把身體從食物中取得的能量原料，經過一連串代謝反應，轉換成細胞可以直接利用的能量形式

——ATP（Adenosine Triphosphate，三磷酸腺苷）。

在談粒線體之前，先認識我們的大腦

我們平常習慣把整個頭顱裡的神經組織統稱為「大腦」，但從解剖學上來看，腦可以先簡單認識幾個主要部分：

大腦（Cerebrum）是體積最大的部分，參與感覺、認知、語言、記憶、思考與自主動作等許多高階功能。

小腦（Cerebellum）與動作協調、平衡、姿勢控制及動作學習密切相關。

腦幹（Brainstem）則負責許多維持生命的重要基本功能，例如呼吸、心血管調節與覺醒狀態等。

上一篇我們談到的海馬迴（Hippocampus），就是位於大腦深處的重要神經結構，與新記憶形成、學習及空間資訊處理密切相關。

如果把鏡頭再往裡面拉近，就會發現：

腦組織中存在許多不同類型的細胞，其中可以先認識兩大重要角色。

神經元（Neuron）負責接收、整合與傳遞資訊。

膠質細胞（Glial cells）則包括星形膠質細胞、少突膠質細胞與小膠質細胞等，參與營養與代謝支持、髓鞘形成、免疫防禦，

以及維持神經細胞周圍環境。

神經元很重要，但大腦真正能穩定工作，並不是只靠神經元單打獨鬥。

神經元，是一種很不尋常的細胞

我們平常看到神經元示意圖時，很容易以為中央圓圓的「細胞體」才是一個細胞，旁邊伸出去的長線只是連接線。

其實不是。

樹突、細胞體與軸突，全部都屬於同一個神經元細胞。

樹突主要接收來自其他神經細胞的輸入訊息，是 INPUT 接收端；細胞體負責整合大量資訊；

軸突則可以把訊號傳送到更遠的位置，最後抵達負責訊息輸出的軸突末端，也就是 OUTPUT 輸出端。

不同神經元的形狀與長度差異非常大。

有些神經元主要與附近細胞建立連結，有些則具有長距離投射的軸突。

這種特殊結構也帶來一個很有意思的問題：

如果細胞體在這裡，而真正需要能量的位置在很遠的另一端，能源怎麼送過去？

答案並不是先在細胞體製造大量 ATP，再把 ATP 長距離一路送到遠端。

神經元有另一套更有效率的做法——

把製造 ATP 的粒線體本身，運送到需要能量的位置。

神經元裡的粒線體，是可移動的「細胞能量工廠」

神經元內部具有由細胞骨架構成的運輸系統。

其中，微管（Microtubules）可以想像成鋪設在細胞內部的「軌道」。

但是，有軌道，貨物並不會自己前進。

真正負責搬運的，是稱為分子馬達（Motor proteins）的一類蛋白質。

其中，Kinesin（驅動蛋白）多半負責朝軸突遠端運送；Dynein（動力蛋白）則多半負責朝細胞體方向運輸。

也就是說，粒線體可以在神經元內進行雙向移動。

它們不是永遠不停地來回跑，而會依照細胞不同區域的需求，移動、停駐與重新分布。

更有意思的是，分子馬達自己也需要 ATP 才能工作。

所以對神經元而言，重要的不只是「有粒線體」。

還要讓功能良好的粒線體，出現在真正需要能量的位置。

不同細胞，需要不一樣的粒線體

粒線體並不是神經細胞才有。

心肌、肝臟、骨骼肌與許多其他細胞，同樣需要粒線體。

但是，不同細胞做的工作不同，對 ATP 的需求不同，因此粒線體的含量、分布與工作狀態也會有很大的差異。

心肌細胞必須日夜不停地反覆收縮，是人體粒線體最豐富的細胞之一。

以細胞體積來看，粒線體約可占心肌細胞的 25～30%，足以看出心臟對能量供應的高度需求。

肝細胞每天進行大量營養代謝、合成、分解與轉化工作，同樣具有豐富的粒線體。

骨骼肌細胞的粒線體差異就更大了。不同肌纖維類型、活動程度與訓練狀態，都會影響粒線體含量；

規律耐力運動還可以促進粒線體生成與功能適應。

而成熟紅血球則走向另一個極端——粒線體為 0。

紅血球在成熟過程中會失去粒線體，主要透過糖解作用取得 ATP。

這其實是一個非常巧妙的生理設計：

紅血球負責把氧氣送到全身，自己卻不利用所攜帶的氧氣進行粒線體氧化磷酸化。

那麼神經元呢？

神經元除了能量需求高之外，更特殊的是它的空間結構。

一個神經元的細胞體、樹突、軸突與遠端工作區域可能相隔很遠，因此對神經元而言，粒線體不只是「有多少」的問題。

細胞粒線體的 KPI 績效：能否供應足量的 ATP？

如果把粒線體看成是細胞的能量工廠，真正的細胞能量 KPI，並不是單純看細胞裡「能量工廠有幾座」，而是：

細胞內的粒線體能不能穩定供應細胞所需要的 ATP？

粒線體的數量當然重要，但它的產能還受到內部結構、膜的完整性、能量代謝酵素活性，以及電子傳遞系統是否正常運作等因素影響。

粒線體具有外膜與內膜。

其中內膜並不是平整的一層，而是向內形成許多皺褶，稱為粒線體嵴（Cristae）。

這些皺褶大幅增加粒線體內膜的表面積，而電子傳遞鏈與 ATP 合成酶等重要能量轉換系統，就分布在這些內膜上。

因此，同樣是粒線體，內部結構與功能狀態不同，產生 ATP 的能力也可能不同。

所以評估細胞的能量供應能力，主要是看這些粒線體生成 ATP 的效能高低。

粒線體如何製造「細胞電池」ATP？

我們吃進去的是食物。

但神經細胞真正能直接拿來工作的，並不是一碗飯、一顆豌豆或一匙油。

食物中的醣類、脂肪與蛋白質，經過消化、吸收與一連串代謝之後，才會成為細胞可以進一步利用的能量原料。

這些能量原料進入細胞的能量代謝系統後，粒線體會透過多個步驟進行能量轉換。

其中包括檸檬酸循環、電子傳遞鏈，以及最後的氧化磷酸化。

在這個過程中，氧氣扮演非常重要的角色。

電子經過粒線體內膜上的電子傳遞鏈後，最終由氧接受；這個過程同時建立跨越粒線體內膜的質子梯度。

接著，質子沿著梯度通過 ATP 合成酶（ATP synthase），就像推動一座微型分子渦輪，驅動 ADP 與磷酸形成 ATP。

如果把這段複雜的生化過程濃縮成一句話：

ATP 可以想像成細胞裡不斷被使用、又可經由粒線體不斷「回充」的能量電池；

粒線體將營養素中的化學能轉換，讓 ATP 再回到可以供能的狀態。

但這座能量工廠要順利運轉，也需要許多「代謝助攻手」。

例如 B 群維生素、鎂、鐵與銅等營養素，都參與能量代謝的不同環節。

B 群中的多種維生素，是能量代謝相關酵素所需輔酶的重要來源；

鎂與 ATP 的穩定及許多 ATP 相關酵素反應密切相關；

鐵與銅則參與粒線體電子傳遞系統中的重要蛋白與輔基。

它們本身不是主要的能量原料，卻是能量轉換過程中不可忽略的「代謝助攻手」。

ATP 製造出來之後，神經細胞拿它做什麼？

答案是：

幾乎到處都要用。

首先，神經元必須維持細胞膜兩側的離子濃度差。

神經訊號活動會伴隨鈉、鉀等離子的流動，之後細胞必須利用 ATP 驅動離子幫浦，重新建立並維持膜兩側的離子梯度。

這也是大腦能量支出的重要去處之一。

沒有穩定的離子梯度，神經元就無法正常維持電生理活動與訊號傳遞。

軸突內的長距離胞內運輸，同樣離不開 ATP。

前面提到的 Kinesin 與 Dynein 分子馬達，需要利用 ATP，才能沿著微管「一步一步」移動，搬運粒線體、囊泡及其他胞內貨物。

除此之外，神經細胞還要合成蛋白質、維持細胞骨架、更新細胞膜、修復受損結構，以及進行各種日常代謝活動。

這些都需要 ATP。

所以 ATP 被稱為細胞的「能量貨幣」，並不是沒有原因。

神經元每一次活動、恢復、運輸與維護，背後幾乎都看得到 ATP 的身影。

粒線體也有自己的「汰舊換新」

細胞內數量龐大的粒線體會不斷進行融合（Fusion）與分裂（Fission）。

融合讓不同粒線體彼此連結、交換部分內容物，有助於維持粒線體網路與功能；分裂則可以協助粒線體重新分布，也參與將受損部分分離出來。

如果粒線體受損到不適合繼續工作，細胞還具有一套選擇性品質管理機制，將受損粒線體辨識並清除，其中一個重要過程就是粒線體自噬（Mitophagy）。

研究也發現，睡眠—清醒週期與晝夜節律，和粒線體的能量代謝、融合與分裂，以及品質管理機制存在密切關聯。

至於睡眠期間粒線體自噬在人腦中的具體調控方式，目前仍持續研究中。

對許多可以存活數十年的神經元而言，這套粒線體品質管理尤其重要。

因為多數成熟神經元不像皮膚或腸道上皮細胞，可以頻繁地新陳代謝、整批換新。

腦眼細胞可能陪伴我們很久，細胞裡的能量工廠，自然也需要不斷維修與更新。

哪些條件，影響粒線體正常運作？

粒線體需要的，首先是能量原料。

醣類、脂肪與蛋白質可以透過不同的代謝路徑，提供細胞進行能量轉換所需要的原料。

其次是氧氣供應。

粒線體的氧化磷酸化需要氧氣作為最終電子接受者，因此穩定的血流與氧氣供應，是正常能量代謝的重要基礎。

此外，還有前面談到的代謝助攻手。

B 群維生素、鎂、鐵、銅等維生素與礦物質，分別參與不同的能量代謝反應與粒線體功能。

而日常生活也同樣重要。

規律運動可以促進粒線體生成與代謝適應；

睡眠與正常的晝夜節律，則與粒線體的能量代謝、融合與分裂，以及品質管理密切相關。

粒線體功能，是腦老化研究的重要方向

為什麼近年的腦科學研究愈來愈重視粒線體？

其中一個重要原因，就是神經元對穩定能量供應的高度依賴。

當粒線體功能受到影響，不只是 ATP 產量可能下降，還可能牽動氧化還原平衡、鈣離子調節、粒線體運輸與品質管理等多個細胞系統。

在阿茲海默症相關研究中，粒線體能量代謝、氧化壓力、鈣離子平衡，以及粒線體運輸與品質管理，都是受到高度關注的研究方向。

帕金森氏症研究則長期關注粒線體電子傳遞功能，以及 PINK1／Parkin 等參與粒線體品質管理的路徑。

神經退化是一個涉及蛋白質異常、神經發炎、血管、代謝、突觸及多種細胞機制的複雜過程。粒線體是其中非常重要的一塊拼圖。

腦健康，離不開細胞的能量工廠——粒線體

回頭看上一篇談到的成人海馬迴神經新生，我們就更容易理解「能量」為什麼如此重要。

一個新的神經細胞從前驅細胞分裂開始，接著還要分化、成熟、長出新的細胞膜與神經突起，最後建立連結並融入既有的神經網路。

每一步，都需要能量。

而已經成熟的神經細胞，每天維持正常運作，同樣需要能量。

它要維持細胞膜的離子梯度、進行細胞內運輸、合成蛋白質、更新與修復結構，還要持續參與龐大的神經網路活動。

結論｜腦健康營養的五大系統

從成人海馬迴神經新生，到神經可塑性、粒線體與能量代謝、神經細胞膜，以及神經保護，我們會發現：

腦健康並不是由單一機制決定，而是多個生物系統彼此連動的結果。

神經新生，讓我們看到成年大腦仍保有一定程度的更新可能；

神經可塑性，讓神經網路可以隨著經驗、學習與環境持續調整；

粒線體與能量代謝，提供細胞持續工作所需要的能源；

神經細胞膜，是離子梯度、受體運作與訊息傳遞的重要物理基礎；

而神經保護與細胞維護機制，則幫助神經細胞面對氧化壓力、發炎訊號及各種日常生理挑戰。

這五個面向不是各自獨立，而是彼此交織。

粒線體製造 ATP，需要完整的膜結構；神經訊號傳遞需要 ATP，也需要健康的神經細胞膜；

新的神經細胞要成熟並加入神經網路，又需要能量、膜結構與神經可塑性共同參與。

因此，從營養科學的角度來看，營養的意義也不只是「補某一個部位」或「補某一種成分」。

更重要的是，提供這些生理系統正常運作所需要的營養基礎。

油甘先生的小提醒

我們常說「讓大腦保持活力」。從細胞的角度來看，這份「活力」背後，其實是一筆又一筆細胞電池 ATP 的支出。

兩個神經細胞之間，究竟如何透過一個神經元的 OUTPUT 輸出端，把訊息傳遞到下一個神經元的 INPUT 接收端，

維持龐大的神經網路運作呢？

十分有趣，敬請期待。

我們下次聊養生見囉。

免責聲明：本文內容僅供健康知識分享與科普交流，不作為醫療診斷、治療或處方之用。如有特定身體狀況或疾病，請諮詢專業醫師或營養師。

延伸閱讀

腦健康營養的新視角｜#01 從神經細胞膜，到整座腦細胞城市

腦健康營養的新視角｜#02 大腦科研亮點：成人海馬迴神經新生