一項新研究揭示了線粒體鈣單向轉運蛋白在神經(jīng)元增強連接中的關鍵作用。

《EurekAlert》

2月7日

弗吉尼亞理工大學（Virginia Tech，VT）的神經(jīng)科學家揭示了一種線粒體過程，該過程支持對學習、記憶和社會識別至關重要的大腦細胞。

這項研究由弗吉尼亞理工大學卡利翁校區(qū)（VTC）弗拉林生物醫(yī)學研究所（Fralin Biomedical Research Institute，FBRI）的助理教授 Shannon Farris 博士領導，通過小鼠模型研究了海馬 CA2 區(qū)域，這是大腦記憶中心中的一個特殊區(qū)域，對社會識別記憶至關重要。

該研究近日發(fā)表在《科學報告》（Scientific Reports）雜志上，揭示了線粒體鈣單向轉運蛋白（Mitochondrial calcium uniporter，MCU）在神經(jīng)元增強連接中的關鍵作用。MCU 是一種調(diào)節(jié)鈣流入線粒體的蛋白質(zhì)，這一過程被稱為突觸可塑性，是認知功能和適應性學習的基礎。

研究于2025年2月6日發(fā)表在《Scientific Reports》（最新影響因子：3.8）雜志上

Farris 表示：“我們的研究結果突顯了一種獨特的線粒體機制，有助于解釋 CA2 神經(jīng)元的功能，這可能與其在社會認知中的作用以及在某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的脆弱性有關。”

CA2區(qū)域在社會記憶中的獨特作用

海馬 CA2 區(qū)域是一個小而關鍵的社會識別中樞，負責記憶和區(qū)分個體的能力。與鄰近的海馬區(qū)域不同，CA2 神經(jīng)元抵抗某些形式的突觸可塑性， 這引發(fā)了關于它們的特殊功能的有趣問題。

Farris 和她的團隊發(fā)現(xiàn)，CA2 神經(jīng)元中的線粒體并不均勻。相反，它們的結構和功能因其在神經(jīng)元內(nèi)的位置而異。位于神經(jīng)元樹突最遠端（即最外層的突觸輸入連接處）的線粒體高度特化，并嚴重依賴 MCU 來調(diào)控其活動。

為了探索這一點，研究人員在基因工程小鼠的 CA2 神經(jīng)元中刪除了 MCU 基因。這導致最外層突觸的可塑性受到破壞，而靠近細胞體的突觸則未受影響。

Farris 表示：“這表明線粒體的多樣性不僅僅是一種生物學上的奇特現(xiàn)象，而是一種基本特征，使得同一神經(jīng)元的不同部分能夠以不同的方式運作。”

對阿爾茨海默病和自閉癥譜系障礙的潛在意義

線粒體功能障礙越來越被認為是阿爾茨海默病、自閉癥、精神分裂癥和抑郁癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的主要誘因之一。

突觸需要大量能量來維持連接并處理信息。當線粒體功能異常時，可能會破壞這些細胞間通信通道的功能能力，從而導致思維和記憶問題。

已知在阿爾茨海默病中，最遠端的外層突觸是最早受到影響的突觸連接之一。研究結果表明，MCU 在 CA2 神經(jīng)元中的功能可能導致了這種初始的脆弱性，這為解釋為什么這一神經(jīng)回路特別容易受到神經(jīng)退行性變的影響提供了潛在的見解。

Farris 說：“了解 CA2 神經(jīng)元中線粒體為何不同以及它們?nèi)绾问�效，可能有助于我們設計療法來保護或恢復特定大腦區(qū)域的功能。”

除了阿爾茨海默病，這項研究還提出了更廣泛的問題，即線粒體多樣性如何影響其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病。神經(jīng)元微調(diào)線粒體特性的能力可能是理解自閉癥的關鍵因素，其中 CA2 功能障礙可能與自閉癥譜系中已知的社會缺陷有關。

Shannon Farris 博士

解碼神經(jīng)回路中的線粒體功能

研究人員表示，這項研究推進了對線粒體生物學的理解，并克服了在評估密集且多樣化腦組織中線粒體功能時的技術障礙。

Farris 的團隊利用電子顯微鏡和人工智能，在密集的突觸層中無偏見地識別僅屬于樹突的線粒體，并以極高的空間精度繪制了 CA2 神經(jīng)元樹突中線粒體的結構，覆蓋了毫米級的組織范圍。分析顯示，缺乏 MCU 的線粒體更小且更碎片化，這種結構變化可能是其支持突觸功能能力受損的原因。

更廣泛地說，這項研究挑戰(zhàn)了長期以來認為線粒體在神經(jīng)元所有部分中功能相同的假設。相反，神經(jīng)元可能會主動修改線粒體特性，以優(yōu)化特定突觸的功能，這一概念可能重塑我們對神經(jīng)能量調(diào)節(jié)和可塑性的理解。

Farris 實驗室的高級研究員、該研究的第一作者 Katy Pannoni 表示：“這些發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了長期以來認為線粒體在樹突內(nèi)功能一致的假設。相反，我們的研究表明，線粒體高度特化，以支持不同神經(jīng)回路的獨特需求。”

通過應用人工智能分析大規(guī)模電子顯微鏡數(shù)據(jù)集，研究團隊以傳統(tǒng)手動方法無法實現(xiàn)的規(guī)模量化了線粒體結構和分布。這種新方法將使未來的研究能夠以更高的精度和深度分析線粒體功能。

線粒體研究的未來

這一發(fā)現(xiàn)為潛在療法開辟了新的思路，特別是對于因能量不足而導致大腦連接減弱的神經(jīng)障礙而言。Farris 的研究揭示了線粒體如何支持神經(jīng)可塑性，為保持大腦功能和減緩神經(jīng)退行性病變的策略奠定了基礎。

接下來，她的團隊將研究 CA2 神經(jīng)元中的線粒體如何發(fā)展其特殊性質(zhì)，以及在其他大腦區(qū)域是否存在類似的適應性。他們還旨在探索能夠增強線粒體健康并保護神經(jīng)元免受疾病侵害的治療策略。

“我們對線粒體多樣性的了解越多，就越接近解開大腦如何學習、記憶和適應的奧秘，以及如何保持大腦健康的答案，” Farris 說。

創(chuàng)立于1872年的弗吉尼亞理工大學

參考文獻

Source：Virginia Tech

Virginia Tech scientists discover mitochondria’s role in shaping memory circuits

Reference：

Pannoni, K.E., Fischer, Q.S., Tarannum, R. et al. MCU expression in hippocampal CA2 neurons modulates dendritic mitochondrial morphology and synaptic plasticity. Sci Rep 15, 4540 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-85958-4

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       原文標題 : 線粒體在塑造記憶回路中的作用