揭秘腦神經元線粒體與胞質之間鈣瞬變的概率性耦合

　　Nature Communications在線發表了北京大學分子醫學研究所程和平團隊和紐約大學醫學院甘文標團隊的合作論文“Brain Activity Regulates Loose Coupling between Mitochondrial and Cytosolic Ca2+ Transients”，報道腦神經元線粒體與胞質之間鈣瞬變的概率性耦合，以及其耦合度如何受大腦信息加工活動的調節。

　　大腦是體內能耗最高的器官，所需能量主要由細胞能量工廠——線粒體來提供。大腦的能耗是動態變化的，它取決于腦信息加工活動的起伏，后者又可以由神經元胞質鈣瞬變來反映。雖然線粒體能量代謝的多個節點受線粒體鈣信號調節，但線粒體如何解碼神經元活動從而動態匹配能量代謝還鮮有報道。

　　合作團隊利用雙光子成像系統，在清醒小鼠初級運動皮層或視覺皮層同步記錄神經元胞質和線粒體鈣瞬變。他們發現，每個皮層神經元含有幾百個線粒體，遍布于胞體和樹突；線粒體鈣瞬變受控于胞質鈣瞬變，但線粒體與胞質之間的鈣瞬變耦合為概率事件。在小鼠靜息狀態下，耦合度僅為3—5％；而在小鼠跑步或接受視覺刺激時，不僅初級運動皮層或視覺皮層神經元活動增加，同時耦合度也顯著上升至約25%，使得線粒體鈣活動大大加強。進一步機制分析發現，耦合度與胞質鈣瞬變振幅、時程和耦合事件前數秒內的發放頻率密切相關，鈣依賴性蛋白激酶CaMKII是耦合度調節的關鍵因子。該成果揭示了線粒體如何解碼神經元活動模態，從而精準調控腦動態能量代謝的新現象和新機制。

腦神經元線粒體與胞質之間鈣瞬變的概率性耦合。Ncyto或Nmito：胞質或線粒體鈣瞬變發生次數

　　北京大學分子醫學研究所林淵博士為該論文的第一作者，程和平教授和甘文標教授為論文的共同通訊作者。中國科學院自動化研究所類腦智能研究中心韓華教授，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所、深港腦科學創新研究院王立平教授及他們的研究團隊為該工作提供了大力支持。該項研究得到國家重大研發項目、國家自然科學基金和美國國立衛生院的資助。