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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)等在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域取得突破。團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的毫秒級時(shí)間分辨冷凍電鏡技術(shù)，捕捉到突觸囊泡釋放與快速回收的完整動(dòng)態(tài)過程，并提出全新“親吻-收縮-逃逸/融合”模型，解決了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的關(guān)鍵爭議。這一成果揭示了大腦高效傳遞信息的“微觀密碼”，為相關(guān)腦疾病機(jī)理研究提供了新視角。

大腦功能的實(shí)現(xiàn)，依賴于數(shù)千億個(gè)神經(jīng)元之間高效、精準(zhǔn)的突觸傳遞。突觸囊泡作為神經(jīng)遞質(zhì)的載體，其釋放機(jī)制是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的重要問題。此前，科學(xué)界圍繞囊泡釋放機(jī)制，提出了“全融合”與“親吻-逃逸”兩種對立模型。但是，由于囊泡釋放過程發(fā)生在毫秒時(shí)間尺度、結(jié)構(gòu)變化處于納米空間尺度，傳統(tǒng)技術(shù)難以捕捉其瞬時(shí)動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致神經(jīng)科學(xué)研究長期陷入困局。

為攻克這一難題，科研人員聯(lián)合國內(nèi)外多個(gè)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出具有毫秒時(shí)間分辨的原位冷凍電鏡技術(shù)，將光遺傳學(xué)刺激與投入式快速冷凍方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對神經(jīng)元突觸傳遞過程的毫秒級“動(dòng)態(tài)定格”。

實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)在神經(jīng)元中表達(dá)光敏蛋白，通過激光精準(zhǔn)激發(fā)動(dòng)作電位，觸發(fā)突觸囊泡釋放。此后，載有樣品的電鏡載網(wǎng)，在設(shè)定時(shí)間快速落入冷凍劑，將細(xì)胞瞬間固定。通過精確控制光照與冷凍的時(shí)間間隔，團(tuán)隊(duì)在4毫秒到300毫秒之間的時(shí)間釋放樣品，捕獲了囊泡不同階段的結(jié)構(gòu)快照。

團(tuán)隊(duì)基于上千套高分辨率三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)囊泡釋放與快速回收可分為三階段動(dòng)態(tài)過程：囊泡與突觸前膜形成納米級融合孔（“親吻”），隨后迅速收縮為表面積減半的小囊泡（“收縮”），最終大部分囊泡以“逃逸”方式回收，少數(shù)發(fā)生“全融合”。這個(gè)中間收縮是一個(gè)關(guān)鍵，為神經(jīng)突觸實(shí)現(xiàn)高效、高保真信號(hào)傳遞奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

上述成果為探究神經(jīng)信息加工以及相關(guān)腦功能和疾病機(jī)理提供了全新視角。同時(shí)，時(shí)間分辨冷凍電鏡技術(shù)的研發(fā)，為剖析細(xì)胞內(nèi)其他快速生命過程，如病毒入侵、細(xì)胞分泌等提供了新的方法平臺(tái)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。

論文鏈接

時(shí)間分辨冷凍電鏡技術(shù)解析突觸囊泡釋放與回收動(dòng)態(tài)過程

突觸囊泡釋放與快速回收