长期以来，神经科学教科书将线粒体描绘成神经元的纯粹能量供应站——这些豆状细胞器仅仅负责产生细胞所需的能量。然而，这一图景正变得越来越不完整。
越来越多的研究表明，线粒体对神经元的作用远不止提供燃料。它们似乎还帮助突触进行通讯、调控神经递质的释放，并塑造社会行为。线粒体功能也与自闭症及相关神经发育状况有关，尽管这一联系仍存在争议。
根据2025年2月发表在《自然·代谢》杂志上的一项研究，甚至记忆的形成也可能依赖于这些微小的双层膜结构。增强线粒体代谢可提升果蝇和小鼠的长期记忆。
“线粒体不仅是允许性的，更是指导性的，”赫伯特·韦特海姆UF斯克里普斯生物医学创新与技术研究所分子医学助理教授Ezgi Hacisuleyman表示，她未参与2月份的研究。她的未发表结果显示，例如，线粒体蛋白是在活跃突触附近被翻译的。
在过去十年中，Hacisuleyman及其他人的工作迅速扩展了线粒体在大脑中的功能谱。她补充说，这些发现共同将线粒体置于“我们思考大脑功能和记忆方式的更中心位置”。
“突触是能量饥渴的隔室，”马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所研究组长Vidhya Rangaraju说，“因此它们必须有本地发电厂。”她的工作表明，树突线粒体可以形成局部的、稳定的结构——长约30微米——以在突触重塑期间为蛋白质翻译提供燃料。
这些局部线粒体通常对钙做出反应：当神经元放电时，钙离子进入附近的线粒体，促使它们迅速增加能量生产。根据2月份的研究，线粒体钙信号的增加也会增强记忆回路中的代谢，从而改善大脑功能。
此外，降低一种名为LETM1的蛋白质的水平——该蛋白通常将钙移出线粒体——会推动细胞器进入更活跃的代谢状态。这种代谢提升帮助果蝇和小鼠形成未经处理的动物无法建立的持久记忆：果蝇在一次训练后一天记住了与轻微电击配对的气味，而小鼠则在几天后记住了与氯化锂暴露（使它们暂时感到恶心）相关的气味。
“我们的结果表明，能量不仅使大脑功能成为可能，还可能支配大脑功能，”研究调查员、巴黎大脑研究所研究组长Jaime de Juan-Sanz说。一些神经回路可能受到它们能产生多少能量的限制，因此增加的代谢能力也可能改善认知表现。
例如，在果蝇中，一项2025年的研究表明，线粒体活性氧（ROS）在发育早期帮助驱动长期的突触重塑。降低线粒体ROS信号会导致神经肌肉接头处出现异常的结构可塑性，而另一项2025年的研究发现，在同一突触，增加运动神经元（而非肌肉细胞）中的ROS有助于保持神经和肌肉之间的通讯。
“ROS可用于向细胞发出重要信号，”爱荷华大学卡弗医学院解剖学和细胞生物学教授Andrew Frank说，他参与了后一项2025年的研究。“如果你完全关闭它，你可能正在干扰自然的信号传导过程。”
Frank说，这些发现支持这样一种观点：线粒体可能不仅仅为生长提供燃料，还可能指导突触在发育敏感窗口期何时以及如何发生变化。
在寿命的另一端，线粒体功能似乎支持果蝇衰老时神经元激活的一种保护性反应，增加参与突触神经递质释放的蛋白质水平。一项2025年的研究表明，通过基因操作降低线粒体功能会使这种年龄相关的增强变得更强烈，而改善它则会减弱这种反应。
“虽然他们检查的突触和线粒体操作与我们不同，但他们的一些发现与我们的突触前结果很好地吻合，”Frank说，并且它们也指向一个共同主题：当线粒体信号被破坏时，突触会通过在神经递质释放位点增加特定蛋白质来做出反应。
ROS信号甚至可能有助于解释为什么神经元在似乎无话可说时也会放电。根据2023年的一个计算模型，一些自发放电可能防止ROS积累，从而帮助神经元在ATP消耗过低时维持代谢平衡。
神经元必须不断管理能量和氧化应激，这可能导致细胞毒性，因此“进行这些自发性（放电）似乎至关重要，”纽约大学神经科学教授André Fenton说，他未参与这项工作。这一想法得到了果蝇研究的间接支持，该研究表明，当线粒体氧化还原信号改变时，睡眠控制神经元会改变它们放电的容易程度。
“测试沉默神经元是否会导致ROS积累在实验上很困难，”奥地利科学技术研究所计算神经科学和神经理论教授Tim Vogels说，他帮助开发了2023年的模型。但“自发性活动可能更像细胞的泄压阀，而不是噪音，”他说。
例如，表现出焦虑样行为的大鼠更有可能在社交竞争中失败，研究人员在2015年发现，这种劣势与伏隔核中线粒体功能较弱有关——伏隔核是参与动机的区域。降低那里的线粒体功能使正常大鼠在新领土竞争中失败，而增强线粒体代谢则帮助那些有焦虑样行为的大鼠避免成为从属者。
“这是最早表明操纵线粒体功能直接影响行为结果的工作之一，”研究调查员、南卡罗来纳大学药理学、生理学和神经科学助理教授Fiona Hollis说。
此后，线粒体与其他应激相关行为联系起来。在小鼠中，2021年的一项研究发现，慢性社交挫败应激会损伤杏仁核中的细胞器，并导致它们在通常帮助缓冲焦虑的回路中耗竭。另一项研究表明，同一类型的应激会改变海马小胶质细胞中线粒体与内质网的接触，导致线粒体损伤、炎症信号和抑郁样行为。
一些动物对应激的抵抗力更强或更弱，这可能是由于小鼠大脑中线粒体活性的广泛差异及其与焦虑样行为和社交回避的相关性，哥伦比亚大学行为医学副教授Martin Picard在描述他最近的工作时说。
“这种自然变化的线粒体分子或功能也可能导致个体间的认知差异，”洛桑联邦理工学院神经科学教授Carmen Sandi说，并有助于解释2月份将线粒体与记忆联系起来的发现。
这些细胞器甚至可能帮助调节睡眠。在果蝇中，2025年的研究结果表明，睡眠控制神经元中的线粒体在睡眠剥夺后会碎裂成更小的碎片并被回收，改变这一过程会改变动物的睡眠时长。
“线粒体可能塑造认知和行为的机制仍不清楚，”Sandi说。但是，她补充道，“我们真的应该停止只考虑能量……新兴的观点是，线粒体可能对大脑健康很重要。”