《Nature Communications》北京大學(xué)程和平研究組和合作者揭秘細(xì)胞能量工廠線粒體如何解碼大腦神經(jīng)元活動閱讀次數(shù)：
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《Nature Communications》北京大學(xué)程和平研究組和合作者揭秘細(xì)胞能量工廠線粒體如何解碼大腦神經(jīng)元活動
2019年11月21日，《Nature Communications》在線發(fā)表了北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所程和平團(tuán)隊(duì)和紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院甘文標(biāo)團(tuán)隊(duì)的合作論文“Brain Activity Regulates Loose Coupling between Mitochondrial and Cytosolic Ca2+ Transients”（原文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41467-019-13142-0），報道腦神經(jīng)元線粒體與胞質(zhì)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(diào)節(jié)。
大腦是體內(nèi)能耗最高的器官，所需能量主要由細(xì)胞能量工廠——線粒體——來提供。大腦的能耗是動態(tài)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(jīng)元胞質(zhì)鈣瞬變來反映。雖然線粒體能量代謝的多個節(jié)點(diǎn)受線粒體鈣信號調(diào)節(jié)，但線粒體如何解碼神經(jīng)元活動從而動態(tài)匹配能量代謝還鮮有報道。
合作團(tuán)隊(duì)利用雙光子成像系統(tǒng)，在清醒小鼠初級運(yùn)動皮層或視覺皮層同步記錄神經(jīng)元胞質(zhì)和線粒體鈣瞬變。他們發(fā)現(xiàn)，每個皮層神經(jīng)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(zhì)鈣瞬變，但線粒體與胞質(zhì)之間的鈣瞬變耦合為概率事件（圖1）。在小鼠靜息狀態(tài)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(yùn)動皮層或視覺皮層神經(jīng)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(qiáng)。進(jìn)一步機(jī)制分析發(fā)現(xiàn)，耦合度與胞質(zhì)鈣瞬變振幅、時程和耦合事件前數(shù)秒內(nèi)的發(fā)放頻率密切相關(guān)，鈣依賴性蛋白激酶CaMKII是耦合度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因子。該成果揭示了線粒體如何解碼神經(jīng)元活動模態(tài)，從而精準(zhǔn)調(diào)控腦動態(tài)能量代謝的新現(xiàn)象和新機(jī)制。
北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)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(biāo)教授為論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院自動化研究所類腦智能研究中心韓華教授、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所，深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院王立平教授及他們的研究團(tuán)隊(duì)為該工作提供了大力支持。該項(xiàng)研究得到國家重大研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和美國國立衛(wèi)生院的資助。
圖1. 腦神經(jīng)元線粒體與胞質(zhì)之間鈣瞬變的概率性耦合。
Ncyto或Nmito:胞質(zhì)或線粒體鈣瞬變發(fā)生次數(shù)。
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