科學家實現毫秒級納米成像 破解神經突觸傳遞核心機制 | 科技前線

日前，中國科學技術大學團隊等在神經科學領域取得突破。團隊基于自主研發的毫秒級時間分辨冷凍電鏡技術，成功捕捉到突觸囊泡釋放與快速回收的完整動態過程，并提出全新“親吻-收縮-逃逸/融合”模型，解決了神經科學領域長達半個世紀的關鍵爭議。這一成果揭示了大腦高效傳遞信息的“微觀密碼”，為相關腦疾病機理研究提供了新視角。

▲時間分辨冷凍電鏡技術解析突觸囊泡釋放與回收動態過程

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新方法解決時空困境

大腦功能的實現，依賴于數千億個神經元之間高效、精準的突觸傳遞。突觸囊泡作為神經遞質的載體，其釋放機制是神經科學領域的重要問題。

此前，科學界圍繞囊泡釋放機制，提出了“全融合”與“親吻-逃逸”兩種對立模型。但由于囊泡釋放過程發生在毫秒時間尺度、結構變化處于納米空間尺度，傳統技術難以捕捉其瞬時動態，導致神經科學研究長期陷入困局。

為攻克這一難題，團隊開發出具有毫秒時間分辨的原位冷凍電鏡技術，創新性地將光遺傳學刺激與投入式快速冷凍方法結合，實現了對神經元突觸傳遞過程的毫秒級“動態定格”。

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定格關鍵瞬間

實驗中，團隊在神經元中表達光敏蛋白，通過激光精準激發動作電位，觸發突觸囊泡釋放。此后，載有樣品的電鏡載網，在設定時間快速落入冷凍劑，將細胞瞬間固定。

通過精確控制光照與冷凍的時間間隔，團隊在4毫秒到300毫秒之間的時間釋放樣品，捕獲了囊泡不同階段的結構快照。

團隊基于上千套高分辨率三維結構數據的系統分析，發現囊泡釋放與快速回收可分為三階段動態過程：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，少數發生“全融合”。這個中間收縮是一個關鍵，為神經突觸實現高效、高保真信號傳遞奠定了結構基礎。

▲突觸囊泡釋放與快速回收

上述成果為探究神經信息加工以及相關腦功能和疾病機理提供了全新視角。同時，時間分辨冷凍電鏡技術的研發，為剖析細胞內其他快速生命過程，如病毒入侵、細胞分泌等提供了創新方法平臺。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads7954

來源：中國科學技術大學

責任編輯：侯茜