Nature Communications北京大学程和平研究组和合作者揭秘细胞能量工厂线粒体如何解码大脑神经元活动

2019年11月21日,Nature Communications在线发表了北京大学分子医学研究所程和平团队和纽约大学医学院甘文标团队的合作论文“Brain Activity Regulates Loose Coupling between Mitochondrial and Cytosolic Ca2+ Transients,报道脑神经元线粒体与胞质之间钙瞬变的概率性耦合,以及其耦合度如何受大脑信息加工活动的调节。

大脑是体内能耗最高的器官,所需能量主要由细胞能量工厂——线粒体来提供。大脑的能耗是动态变化的,它取决于脑信息加工活动的起伏,后者又可以由神经元胞质钙瞬变来反映。虽然线粒体能量代谢的多个节点受线粒体钙信号调节,但线粒体如何解码神经元活动从而动态匹配能量代谢还鲜有报道。

合作团队利用双光子成像系统,在清醒小鼠初级运动皮层或视觉皮层同步记录神经元胞质和线粒体钙瞬变。他们发现,每个皮层神经元含有几百个线粒体,遍布于胞体和树突;线粒体钙瞬变受控于胞质钙瞬变,但线粒体与胞质之间的钙瞬变耦合为概率事件。在小鼠静息状态下,耦合度仅为3—5%;而在小鼠跑步或接受视觉刺激时,不仅初级运动皮层或视觉皮层神经元活动增加,同时耦合度也显著上升至约25%,使得线粒体钙活动大大加强。进一步机制分析发现,耦合度与胞质钙瞬变振幅、时程和耦合事件前数秒内的发放频率密切相关,钙依赖性蛋白激酶CaMKII是耦合度调节的关键因子。该成果揭示了线粒体如何解码神经元活动模态,从而精准调控脑动态能量代谢的新现象和新机制。

脑神经元线粒体与胞质之间钙瞬变的概率性耦合。Ncyto或Nmito:胞质或线粒体钙瞬变发生次数

北京大学分子医学研究所林渊博士为该论文的第一作者,程和平教授和甘文标教授为论文的共同通讯作者。中国科学院自动化研究所类脑智能研究中心韩华教授,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所、深港脑科学创新研究院王立平教授及他们的研究团队为该工作提供了大力支持。该项研究得到国家重大研发项目、国家自然科学基金和美国国立卫生院的资助。

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