为什么有的记忆能铭刻一生而有的只能存在几分钟？短期的记忆如何转变为长期的记忆？想必大家还记得，在电影《初恋50次》里，女主人公由于车祸导致脑部受伤,只能形成短时的记忆而没有办法形成长时程记忆。虽然这段特殊的遭遇成就了男女主人公一段浪漫的爱情故事，但长时程记忆形成的机理一直困扰着科学家们。
电影《初恋50次》海报
近日，科学家们在这方面的研究有了新的进展。中国科学技术大学生命科学学院毕国强课题组与北京大学分子医学研究所程和平课题组合作，发现神经元树突“线粒体炫信号”在神经突触传递短时程记忆向长时程记忆的转化中可能发挥着关键作用，相关成果于2017年6月26日在 Nature Communications 在线发表。
首先，我们来认识一下线粒体这个小家伙。线粒体是细胞的“能量工厂”，是真核生物合成能量货币ATP的重要场所。不仅如此，近年来科学家们发现线粒体在细胞凋亡、坏死等多种重要的生理病理过程中发挥着关键的调节作用。
2008年，程和平课题组首次报道了一种发生在单个线粒体水平的新的细胞生物学现象——线粒体炫。与大多传统的细胞内信号不同的是，线粒体炫是一种“全或无”式的量子化信号，在短短数十秒内，线粒体活性氧爆发式增多、基质瞬时碱化、膜电位瞬时下降，而只需一分钟内这些指标就回复到之前的状态。
科学家们认为线粒体炫是一种全新形式的线粒体基本功能事件。随后的一系列研究表明，线粒体炫广泛存在于多个物种。从单细胞的酵母到多细胞的简单生物线虫、从复杂的哺乳动物小鼠到高等的人类，只要有功能性线粒体就存在线粒体炫信号。可以说在进化上线粒体炫具有很强的保守性。
了解了“线粒体炫”信号以后，我们再来看看“神经突触”是什么。神经突触是记忆编码和存储的基本结构单元。大脑的神经元通过突触相互联结，突触联结的强弱反映了神经元间信息传递的效率。突触的联结强度具有可变性，称为突触可塑性，是学习和记忆的神经基础。
突触可塑性按照持续时间的长短可分为长时程可塑性和短时程可塑性。一般认为短时记忆与短时程可塑性相关，而长时程记忆与长时程可塑性相关。比如，如果我们阻断长时程可塑性形成，实验动物就不能形成长时程记忆。在不同类型的神经活动的调控下，短时程的突触可塑性只能持续几秒到几分钟，而长时程的突触可塑性可维持数十分钟到数小时甚至更长。短时程可塑性转变为长时程可塑性的机制，一直以来都是记忆研究的热点。
在长期的研究和探索以后，科研人员猜测，线粒体炫很有可能参与突触可塑性的某种信号转导过程。为此，科研人员选取了学习记忆的经典细胞模型——大鼠的海马神经元——为研究对象。
由于研究长时程突触可塑性需要对神经突触做几个小时的长时程观察，科研人员设计了特殊的显微镜成像条件以最大限度减少对神经元的伤害，同时把神经元维持在一种类似于体内的环境下，以达到长时间连续成像的要求。此外，由于线粒体炫是自发的现象，为了能精确地操作它进而研究它的功能，科研人员建立了一种双光子飞秒脉冲激活线粒体炫的方法，即用飞秒激光机产生特定波长且时间很短的光来定点刺激线粒体。
研究人员惊喜地发现，化学及电刺激方法诱发突触的长时程增强总是伴有突触附近一个或多个线粒体炫信号；而人为激活线粒体炫信号，则能够促进邻近突触从短时程增强向长时程增强的转化；更有意思的是,线粒体炫对突触可塑性的有效调控有着确定的时间窗口（刺激后30分钟内有效）和空间范围（2微米以内有效），显示了线粒体炫调控突触可塑性机制的特异性与精确性。进一步研究发现，线粒体炫的产生依赖于神经活动钙信号及钙依赖性激酶，而线粒体炫释放的活性氧信号可能是促进突触长时程增强的关键信号分子。
《炫》
线粒体炫促进神经元突触长时程增强（红色部分表示增强的突触；面包状的是线粒体；周围泛白的代表正在发生线粒体炫的线粒体）
该工作首次报道了在突触可塑性过程中，线粒体炫作为数字化的生物信号在线粒体接收、整合、传递信号中的重要作用，其科学价值在于首次揭示了树突线粒体和突触之间的双向信号传导机制。同时，为理解线粒体炫的生物学意义提供了一个范例，即局部、瞬时的活性氧爆发为“烧制”突触水平的长时程记忆，提供了一种可能的分子与亚细胞机制。
试想一下，如果有一天我们可以把这个技术应用到人脑，不仅能帮助普通人更好地学习和记忆，像电影《初恋50次》中因伤病而不能形成长时程记忆的女主角，也可能获得更好的治疗，记住生活中的每个心动的瞬间。
该研究工作共同第一作者为合肥微尺度物质科学国家实验室博士生付忠孝和中国科学技术大学生命学院博士生谈笑，通讯作者为王显花副研究员（北京大学）、程和平教授（北京大学）和毕国强教授（中国科学技术大学）。该项目得到中科院先导专项、973计划以及国家自然科学基金的支持。
来源：中国科学技术大学
