近日， Linköping大學(xué)的研究團隊在《Nature Communications》發(fā)表突破性研究，首次揭示大腦神經(jīng)元中鈣離子通道CaV2.1的“分子記憶”機制。這一發(fā)現不僅闡明了突觸可塑性的分子基礎，還為理解終身學(xué)習與記憶形成提供了全新視角。

大腦的一項重要能力是學(xué)習并形成記憶，這一過(guò)程依賴(lài)于神經(jīng)元之間連接的重塑。神經(jīng)連接被稱(chēng)為突觸，它們在一生中不斷被增強或削弱，從某種意義上說(shuō)，大腦在細胞層面上始終在發(fā)生改變。這種現象被稱(chēng)為突觸可塑性。

有幾種過(guò)程促進(jìn)神經(jīng)系統中的突觸可塑性，其中一個(gè)涉及鈣離子通道，這一直是 Linköping大學(xué)研究人員關(guān)注的領(lǐng)域。

“我想揭開(kāi)這些離子通道分子的秘密。鈣離子通道在體內具有非常重要的功能——通過(guò)開(kāi)與關(guān)，它們調節神經(jīng)信號的傳遞。但更為重要的是，這些分子也具有自己的某種記憶，可以記住之前的神經(jīng)信號。”負責該研究的 Linköping大學(xué)生物醫學(xué)與臨床科學(xué)系副教授A(yíng)ntonios Pantazis表示。

圖片信息：研究人員測量離子通道如何響應電信號。離子通道在某種青蛙物種的卵細胞中表達。

該研究的重點(diǎn)是CaV2.1通道，這是一種在大腦中最常見(jiàn)的鈣離子通道。該離子通道位于突觸處，即神經(jīng)元的末端。當電信號通過(guò)神經(jīng)元時(shí)，離子通道會(huì )打開(kāi)，隨后引發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)被釋放到突觸中的目標神經(jīng)元。通過(guò)這種方式，CaV2.1通道在神經(jīng)元之間起到了關(guān)鍵的通信作用。

持續的電活動(dòng)會(huì )減少能夠打開(kāi)的CaV2.1通道數量，從而導致遞質(zhì)釋放減少，使接收神經(jīng)元收到的信息變得微弱。就好像這些通道能夠“記住”之前的信號，并因此在后續信號中無(wú)法再次打開(kāi)。直到現在，科學(xué)家們對這一機制在分子層面上的運作仍不甚了解。

 Linköping大學(xué)的研究人員現在發(fā)現了這個(gè)離子通道如何“記憶”的機制。這個(gè)通道是一個(gè)由多個(gè)相互連接部分組成的大分子，這些部分可以相對于彼此移動(dòng)，以響應電信號。他們發(fā)現，這個(gè)離子通道可以根據電信號的強度和持續時(shí)間呈現近200種不同的形狀；可以說(shuō)，這是一個(gè)非常復雜的分子機器。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1073979

圖片信息：Antonios Pantazis， Linköping大學(xué)副教授。

“我們相信，在持續的電信號作用下，分子中的一個(gè)重要部分會(huì )與通道門(mén)斷開(kāi)連接，類(lèi)似汽車(chē)的離合器切斷發(fā)動(dòng)機與車(chē)輪之間的連接。此時(shí)，離子通道將無(wú)法打開(kāi)。當數百個(gè)信號在較長(cháng)時(shí)間內發(fā)生時(shí)，它們可能會(huì )將大多數通道轉換為這種‘斷離記憶狀態(tài)’，以持續數秒。”Antonios Pantazis說(shuō)道。

如果離子通道僅能“記住”幾秒鐘，這又如何促進(jìn)終身學(xué)習呢？這種離子通道中的集體記憶可以隨著(zhù)時(shí)間的推移逐漸累積，從而減少兩個(gè)神經(jīng)元之間的通信。這最終導致接收神經(jīng)元的變化，持續幾個(gè)小時(shí)或幾天，進(jìn)而引發(fā)大腦中更持久的變化，例如削弱的突觸被消除。

“通過(guò)這種方式，在單個(gè)分子中的‘記憶’雖然僅持續幾秒鐘，依然可以對一個(gè)人的終生記憶產(chǎn)生微小的貢獻。”Antonios Pantazis指出。

對這些鈣離子通道工作原理的深入理解，可能在未來(lái)為某些特定領(lǐng)域的研究提供重要信息。“我們的研究明確了在開(kāi)發(fā)新藥時(shí)應針對的蛋白質(zhì)的哪一部分。”Antonios Pantazis表示。

雜志：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-025-58884-2