科学家实现毫秒级纳米成像 破解神经突触传递核心机制 | 科技前线

日前，中国科学技术大学团队等在神经科学领域取得突破。团队基于自主研发的毫秒级时间分辨冷冻电镜技术，成功捕捉到突触囊泡释放与快速回收的完整动态过程，并提出全新“亲吻-收缩-逃逸/融合”模型，解决了神经科学领域长达半个世纪的关键争议。这一成果揭示了大脑高效传递信息的“微观密码”，为相关脑疾病机理研究提供了新视角。

▲时间分辨冷冻电镜技术解析突触囊泡释放与回收动态过程

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新方法解决时空困境

大脑功能的实现，依赖于数千亿个神经元之间高效、精准的突触传递。突触囊泡作为神经递质的载体，其释放机制是神经科学领域的重要问题。

此前，科学界围绕囊泡释放机制，提出了“全融合”与“亲吻-逃逸”两种对立模型。但由于囊泡释放过程发生在毫秒时间尺度、结构变化处于纳米空间尺度，传统技术难以捕捉其瞬时动态，导致神经科学研究长期陷入困局。

为攻克这一难题，团队开发出具有毫秒时间分辨的原位冷冻电镜技术，创新性地将光遗传学刺激与投入式快速冷冻方法结合，实现了对神经元突触传递过程的毫秒级“动态定格”。

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定格关键瞬间

实验中，团队在神经元中表达光敏蛋白，通过激光精准激发动作电位，触发突触囊泡释放。此后，载有样品的电镜载网，在设定时间快速落入冷冻剂，将细胞瞬间固定。

通过精确控制光照与冷冻的时间间隔，团队在4毫秒到300毫秒之间的时间释放样品，捕获了囊泡不同阶段的结构快照。

团队基于上千套高分辨率三维结构数据的系统分析，发现囊泡释放与快速回收可分为三阶段动态过程：囊泡与突触前膜形成纳米级融合孔（“亲吻”），随后迅速收缩为表面积减半的小囊泡（“收缩”），最终大部分囊泡以“逃逸”方式回收，少数发生“全融合”。这个中间收缩是一个关键，为神经突触实现高效、高保真信号传递奠定了结构基础。

▲突触囊泡释放与快速回收

上述成果为探究神经信息加工以及相关脑功能和疾病机理提供了全新视角。同时，时间分辨冷冻电镜技术的研发，为剖析细胞内其他快速生命过程，如病毒入侵、细胞分泌等提供了创新方法平台。

论文链接：

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

来源：中国科学技术大学

责任编辑：侯茜