科學家發現“線粒體炫”調控神經元突觸水平的長時程記憶

　　為什么有的記憶能銘刻一生而有的只能存在幾分鐘？短期的記憶如何轉變為長期的記憶？近日，中國科學技術大學生命科學學院畢國強課題組與北京大學分子醫學研究所程和平課題組合作，發現神經元樹突“線粒體炫信號”在神經突觸傳遞短時程記憶向長時程記憶的轉化中可能發揮著關鍵作用，相關成果于6月26日在《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表。

　　線粒體炫是程和平課題組于2008年首次報道的單個線粒體的量子化信號，它含有線粒體活性氧激增、基質瞬時堿化、膜電位瞬時下降等多重變化，時程為數十秒，是新形式的線粒體基本功能事件。線粒體炫廣泛存在于多個物種及多種細胞，只要有功能性線粒體就存在線粒體炫信號。線粒體炫的發生，既是一個耗能的過程，又存在對細胞產生氧化應激損傷的風險。多年來，程和平-王顯花課題組一直在苦苦探尋線粒體炫為什么普遍存在的生物學解釋。

　　突觸可塑性是學習記憶的神經基礎。在不同類型的神經活動的調控下，短時程的突觸可塑性只能持續幾秒到幾分鐘，而長時程的突觸可塑性可維持數十分鐘到數小時甚至更長。聯合課題組猜測，線粒體炫可能參與突觸可塑性的某種信號轉導過程。為此，研究者選取學習記憶的經典細胞模型——大鼠的海馬神經元為研究對象，發展了長時程線粒體炫連續成像以及雙光子飛秒脈沖激活線粒體炫等新技術。他們驚喜發現，化學及電刺激方法誘發突觸的長時程增強總是伴有突觸附近一個或多個線粒體炫信號；人為激活線粒體炫信號，則能夠穩定其附近的突觸增大，從而產生從短時程增強向長時程增強的轉化；有意思的是線粒體炫對突觸可塑性的有效調控有著確定的時間窗口（刺激后30分鐘內有效）和空間范圍（2微米以內有效），顯示了線粒體炫調控突觸可塑性機制的特異性與精確性。進一步研究發現，線粒體炫的發生依賴于神經活動鈣信號及鈣依賴性激酶，其所釋放的活性氧信號可能是促進突觸長時程增強的信號分子。

　　該工作首次報道了在突觸可塑性過程中，線粒體炫作為數字化的生物信號在線粒體接收、整合、傳遞信號中的重要作用，其科學價值在于首次揭示樹突線粒體和突觸之間的雙向信號傳導機制。同時，為理解線粒體炫的生物學意義提供了一個范例，即局部、瞬時的活性氧爆發為“燒制”突觸水平的長時程記憶，提供了一種可能的分子與亞細胞機制。

　　該文共同第一作者為合肥微尺度物質科學國家實驗室博士生付忠孝和中國科大生命科學學院博士生談笑，通訊作者為北京大學副研究員王顯花、教授程和平和中國科大教授畢國強。該項目得到中科院先導專項、“973”計劃以及國家自然科學基金的支持。

《炫》：學習記憶新機制——線粒體炫促進神經元突觸長時程增大