哥伦比亚神经科学家已经发现了为什么线粒体，保持我们细胞健康的微小能量发生器，通常在大脑内形成奇怪的形状。线粒体在我们身体的37万亿个细胞中存在数千个，通常看起来像长长的互连管。
但是在称为神经元的脑细胞内，它们采用两种完全不同的形状，这取决于它们在细胞内的位置：相同的细长管状形状和基本上更小的几乎球形，更接近于高尔夫球。在今天的研究中，研究人员已经确定了造成线粒体形状差异的机制 - 揭示线粒体形状与其功能之间关系的关键见解。
这项研究于今天在线发表Nature Communications认为，这些异常小的深蹲线粒体有助于神经元生长并在发育中的大脑中建立适当的连接。当这些过程在脑部疾病中出错时，这项工作可能会开辟新的探索线。
在这个细节水平上不钻研大脑的内部运作类似于试图通过观察它沿着高速公路移动来了解汽车的工作原理。你必须打开汽车的引擎盖，仔细看看它的所有部件。
“在我们体内的大多数细胞中，线粒体呈现标准的管状形状，但在神经元内部，线粒体可以采用相同的形状，或者它们可以是微小的，几乎是球形的;哥伦比亚的Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所和该论文的高级作者，首席研究员Franck Polleux博士说，这种差异的原因基本上没有被探索过。
“今天，我们发现了一种意想不到的机制，有助于维持这些线粒体异常小的体积，为如何维持其体型对正常脑细胞生长至关重要提供了新的认识。”
这些线粒体的独特形状最终与神经元本身的独特形状联系在一起。与身体中仅由简单细胞体组成的其他细胞不同，神经元也具有两组延伸，向相反方向向外分支，称为树突和轴突。这些扩展至关重要。它们像神经元一样跨越卷须，连接到其他细胞，以电脉冲的形式将信息传递给彼此 - 形成微观比例的信息高速公路。
为了传递这些脉冲，来自一个神经元的轴突将连接到另一个神经元的树突。这个被称为突触的接触点就像一个细胞间的“握手”，以确保正确的电脉冲 - 因此正确的信息 - 在细胞之间共享。
为了支持细胞通讯，单个轴突可以形成数千个单独的分支，每个分支的直径约为1微米 - 比人类头发的宽度小50倍。在每个轴突及其分支中存在数千个小线粒体，这些线粒体通常位于突触处。
“这些轴突线粒体不同于身体任何其他部位的线粒体 - 它们甚至不同于神经元其他部位的线粒体，”Polleux博士说，他也是哥伦比亚大学欧文医学中心的神经科学教授。“这提出了一个问题：这个小尺寸是否起作用?”
线粒体非常有活力。为了保持它们的大小均匀，它们不断地经历融合(其中几个线粒体将合并为一个)和裂变(其中它们分裂)。在一系列从小鼠大脑中取出的神经元的实验中，包括共同第一作者和前Polleux实验室成员Tommy Lewis博士在内的研究人员确定了一种名为MFF的基因。当打开时，MFF似乎保持轴突线粒体非常小。
“基因MFF促进线粒体分裂，”Polleux博士说。“所以，当我们关闭MFF时，我们倾斜了平衡，增加了融合事件。这导致通常较小的轴突线粒体的长度增加了五到十倍。“
令人惊讶的是，这种尺寸的增加并没有减少线粒体在轴突上下移动的能力。它也没有改变它们作为能源强国的能力，这完全出乎意料，因为这被认为是它们在大多数细胞中的主要作用。
这些新的，较长的轴突线粒体存在一个显着差异，由共同第一作者和前Polleux实验室成员Seok-Kyu Kwon博士发现：他们从周围环境中摄取了大量的钙。钙对大脑活动至关重要，包括在突触之间传播。线粒体的钙摄取通常允许电信号在细胞之间传递。
但线粒体越长意味着在突触中摄取钙的能力越强。研究人员观察到，这破坏了细胞之间传递的电信号的正常模式，削弱了神经元与邻居交流的能力。这种损伤在发育期间也阻碍了轴突，最终导致它们减少分支。
“正常小尺寸的轴突线粒体似乎能使钙缓冲保持在合适的水平，以促进健康的轴突生长和促进细胞连接，”Polleux博士说。有趣的是，这些研究结果还表明，能量产生 - 身体其他部位线粒体的主要工作 - 可能不是轴突线粒体的主要职责。
“他们可能会有更专业的角色，”Polleux博士说。“而这正是我们此刻正在积极破译的事情。”对于Polleux博士来说，了解驱动神经元生长的步骤是解开神经退行性疾病的关键一步。许多疾病，包括阿尔茨海默氏症，都会影响线粒体的结构和功能。他希望他实验室的工作可以帮助阐明为什么会出现这种情况，以及可以采取哪些措施来缓解这种情况。
“在这个细节水平上，不钻研大脑的内部运作类似于试图通过观察它沿着高速公路移动来了解汽车是如何工作的，”他补充道。“你必须打开汽车的引擎盖，仔细看看它的所有部件。”
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