為什麼有些記憶隻持續幾分鐘，而另一些記憶卻被蝕刻了？短期記憶如何轉化為長期記憶？想必我們會記得，在電影《初戀的50次》中，女主角因車禍造成腦損傷，隻能形成短期記憶，沒有辦法形成長期記憶。雖然這次特殊的邂逅，引發了男女主人公之間的浪漫愛情故事，但長期記憶形成的機制一直困擾着科學家。
電影《五十個初戀》的海報。
最近，科學家們在這項研究中取得了新的進展。中國科學技術大學生命科學學院的畢國強與北京大學分子醫學研究所程和平合作，發現神經元樹突狀"線粒體浮華信号"可能在通過突觸将短期記憶轉化為長期記憶中發揮關鍵作用，其結果于6月26日線上釋出， 2017年在自然通訊。
首先，讓我們來認識一下線粒體的小家夥。線粒體是細胞的"能量工廠"，是真核合成能量貨币ATP的重要場所。不僅如此，近年來，科學家們發現線粒體在細胞凋亡和壞死等許多重要的生理病理過程中起着關鍵的調節作用。
2008年，cheng的團隊首次報道了一種新的細胞生物學現象，這種現象發生在個體線粒體水準，即線粒體。與大多數傳統的細胞内信号不同，線粒體浮華是一種"完全或沒有"類型的量子信号，在短短幾十秒内，線粒體活性氧爆發，基質瞬時堿化，膜電位瞬時下降，并且在短短一分鐘内這些名額恢複到以前的狀态。
科學家認為，線粒體浮華是線粒體基本功能事件的一種新形式。随後的一系列研究表明，線粒體在多個物種中廣泛分布。從單細胞酵母到多細胞簡單生物線蟲，從複雜的哺乳動物小鼠到高等人類，隻要功能性線粒體存在，線粒體信号就存在。可以說，線粒體在進化上是高度保守的。
一旦我們了解了線粒體發光信号，讓我們來看看"突觸"是什麼。神經突觸是記憶編碼和存儲的基本結構單元。大腦中的神經元通過突觸互相連接配接，突觸連接配接的強度反映了神經元之間資訊傳遞的效率。突觸連接配接的強度是可變的，稱為突觸可塑性，這是學習和記憶的神經基礎。
突觸可塑性根據持續時間可分為長期可塑性和短期可塑性。人們普遍認為，短期記憶與短期可塑性有關，而長期記憶與長期可塑性有關。例如，如果我們阻斷了遠距離可塑性的形成，實驗動物就無法形成長期記憶。在不同類型的神經活動的調節下，突觸可塑性在短時間内隻能持續幾秒鐘到幾分鐘，而長時間内的突觸可塑性可以持續數十分鐘到幾小時或更長時間。短期可塑性轉化為長期可塑性的機制一直是記憶研究的熱點。
經過長時間的研究和探索，研究人員推測，線粒體浮華很可能參與了突觸可塑性的某種信号轉導過程。為了做到這一點，研究人員選擇了一種經典的學習記憶細胞模型 - 大鼠中的河馬神經元 - 作為主題。
由于研究長距離突觸可塑性需要數小時的突觸長期觀察，研究人員設計了特殊的顯微鏡成像條件，以盡量減少對神經元的損害，同時将它們保持在類似于身體的環境中，以滿足長期連續成像的要求。此外，由于線粒體浮華是一種自發現象，為了能夠準确地操作它，然後研究其功能，研究人員建立了雙光子飛秒脈沖激活線粒體浮華方法，即利用第二雷射機産生特定波長和短時間的光來靶向線粒體的刺激。
研究人員驚喜地發現，化學和電刺激誘導的突觸的遠距離增強總是伴随着突觸附近的一個或多個線粒體閃光信号，而線粒體浮華信号的人工激活可以促進相鄰突觸從短期增強到長期增強的轉變，而且，更有趣的是，線粒體浮華具有明确的時間視窗（在刺激的30分鐘内有效） 和空間範圍（有效在2微米内），用于有效調節突觸可塑性。展示了線粒體耀眼控制突觸可塑性機制的特異性和準确性。進一步的研究發現，線粒體浮華的産生取決于神經活性鈣信号和鈣依賴性激酶，而線粒體釋放的活性氧信号可能是促進突觸遠端增強的關鍵信号分子。
"花哨"
線粒體浮華促進神經元突觸的遠距離增強（紅色部分代表增強的突觸;肥沃的線粒體;周圍的白化代表線粒體中發生的線粒體）
這項工作首先報道了線粒體作為數字生物信号線粒體在突觸可塑性過程中接收、整合和傳輸信号的重要作用，其科學價值在于首次揭示了突觸線粒體與突觸之間的雙向信号傳遞機制。同時，它為了解線粒體的生物學意義提供了一個例子，即局部的瞬态活性氧爆發為"燃燒"突觸水準的長期記憶提供了可能的分子和亞細胞機制。
試想一下，如果有一天我們能把這項技術應用到人腦中，不僅能幫助普通人更好的學習和記憶，就像電影《50倍的愛情》中因受傷而無法形成長久記憶的女主角，還可能得到更好的治療，記住生命中的每一刻心跳。
該研究的共同第一作者是合肥微尺度材料科學國家實驗室博士生、中國科學技術大學生命學院博士生傅忠孝，通訊作者是王先華副研究員（北京大學）、程平教授（北京大學）和畢國強教授（中國科學技術大學）。該項目得到了中國科學院試點項目、973計劃和國家自然科學基金的支援。