一项新研究揭示了线粒体钙单向转运蛋白在神经元增强连接中的关键作用。

《EurekAlert》

2月7日

弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech，VT）的神经科学家揭示了一种线粒体过程，该过程支持对学习、记忆和社会识别至关重要的大脑细胞。

这项研究由弗吉尼亚理工大学卡利翁校区（VTC）弗拉林生物医学研究所（Fralin Biomedical Research Institute，FBRI）的助理教授 Shannon Farris 博士领导，通过小鼠模型研究了海马 CA2 区域，这是大脑记忆中心中的一个特殊区域，对社会识别记忆至关重要。

该研究近日发表在《科学报告》（Scientific Reports）杂志上，揭示了线粒体钙单向转运蛋白（Mitochondrial calcium uniporter，MCU）在神经元增强连接中的关键作用。MCU 是一种调节钙流入线粒体的蛋白质，这一过程被称为突触可塑性，是认知功能和适应性学习的基础。

研究于2025年2月6日发表在《Scientific Reports》（最新影响因子：3.8）杂志上

Farris 表示：“我们的研究结果突显了一种独特的线粒体机制，有助于解释 CA2 神经元的功能，这可能与其在社会认知中的作用以及在某些神经系统疾病中的脆弱性有关。”

CA2区域在社会记忆中的独特作用

海马 CA2 区域是一个小而关键的社会识别中枢，负责记忆和区分个体的能力。与邻近的海马区域不同，CA2 神经元抵抗某些形式的突触可塑性， 这引发了关于它们的特殊功能的有趣问题。

Farris 和她的团队发现，CA2 神经元中的线粒体并不均匀。相反，它们的结构和功能因其在神经元内的位置而异。位于神经元树突最远端（即最外层的突触输入连接处）的线粒体高度特化，并严重依赖 MCU 来调控其活动。

为了探索这一点，研究人员在基因工程小鼠的 CA2 神经元中删除了 MCU 基因。这导致最外层突触的可塑性受到破坏，而靠近细胞体的突触则未受影响。

Farris 表示：“这表明线粒体的多样性不仅仅是一种生物学上的奇特现象，而是一种基本特征，使得同一神经元的不同部分能够以不同的方式运作。”

对阿尔茨海默病和自闭症谱系障碍的潜在意义

线粒体功能障碍越来越被认为是阿尔茨海默病、自闭症、精神分裂症和抑郁症等神经系统疾病的主要诱因之一。

突触需要大量能量来维持连接并处理信息。当线粒体功能异常时，可能会破坏这些细胞间通信通道的功能能力，从而导致思维和记忆问题。

已知在阿尔茨海默病中，最远端的外层突触是最早受到影响的突触连接之一。研究结果表明，MCU 在 CA2 神经元中的功能可能导致了这种初始的脆弱性，这为解释为什么这一神经回路特别容易受到神经退行性变的影响提供了潜在的见解。

Farris 说：“了解 CA2 神经元中线粒体为何不同以及它们如何失效，可能有助于我们设计疗法来保护或恢复特定大脑区域的功能。”

除了阿尔茨海默病，这项研究还提出了更广泛的问题，即线粒体多样性如何影响其他神经系统疾病。神经元微调线粒体特性的能力可能是理解自闭症的关键因素，其中 CA2 功能障碍可能与自闭症谱系中已知的社会缺陷有关。

Shannon Farris 博士

解码神经回路中的线粒体功能

研究人员表示，这项研究推进了对线粒体生物学的理解，并克服了在评估密集且多样化脑组织中线粒体功能时的技术障碍。

Farris 的团队利用电子显微镜和人工智能，在密集的突触层中无偏见地识别仅属于树突的线粒体，并以极高的空间精度绘制了 CA2 神经元树突中线粒体的结构，覆盖了毫米级的组织范围。分析显示，缺乏 MCU 的线粒体更小且更碎片化，这种结构变化可能是其支持突触功能能力受损的原因。

更广泛地说，这项研究挑战了长期以来认为线粒体在神经元所有部分中功能相同的假设。相反，神经元可能会主动修改线粒体特性，以优化特定突触的功能，这一概念可能重塑我们对神经能量调节和可塑性的理解。

Farris 实验室的高级研究员、该研究的第一作者 Katy Pannoni 表示：“这些发现挑战了长期以来认为线粒体在树突内功能一致的假设。相反，我们的研究表明，线粒体高度特化，以支持不同神经回路的独特需求。”

通过应用人工智能分析大规模电子显微镜数据集，研究团队以传统手动方法无法实现的规模量化了线粒体结构和分布。这种新方法将使未来的研究能够以更高的精度和深度分析线粒体功能。

线粒体研究的未来

这一发现为潜在疗法开辟了新的思路，特别是对于因能量不足而导致大脑连接减弱的神经障碍而言。Farris 的研究揭示了线粒体如何支持神经可塑性，为保持大脑功能和减缓神经退行性病变的策略奠定了基础。

接下来，她的团队将研究 CA2 神经元中的线粒体如何发展其特殊性质，以及在其他大脑区域是否存在类似的适应性。他们还旨在探索能够增强线粒体健康并保护神经元免受疾病侵害的治疗策略。

“我们对线粒体多样性的了解越多，就越接近解开大脑如何学习、记忆和适应的奥秘，以及如何保持大脑健康的答案，” Farris 说。

创立于1872年的弗吉尼亚理工大学

参考文献

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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       原文标题 : 线粒体在塑造记忆回路中的作用