我科学家揭示大脑高效传递信息的奥秘

  本报合肥10月19日电 记者丁一鸣、常河从中国科学技术大学获悉，该校毕国强教授团队17日在《科学》杂志发表一项神经科学领域的突破性研究成果，揭示了大脑高效传递信息的“微观密码”，也为相关脑疾病的机理研究提供了新视角。

  据了解，毕国强教授团队历经15年持续攻关，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。

  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，其释放机制一直是神经科学领域的重要问题。自20世纪70年代以来，科学界围绕囊泡释放机制形成了“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，使这一争议困扰神经科学领域长达50年之久。

  为攻克这一难题，毕国强教授团队联合国内外多个团队，开发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”。团队介绍，在具体实验中，他们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。随后，载有样品的电镜载网在设定时间内快速落入冷冻剂，将细胞瞬间固定。通过精确控制光照与冷冻的时间间隔，团队得以在囊泡释放的不同阶段（从4毫秒到300毫秒之间）捕获其结构快照。

  团队进一步解释，基于上千套高分辨率三维结构数据的系统分析，他们发现囊泡释放与快速回收是一个可分为三阶段的动态过程——囊泡首先与突触前膜形成纳米级融合孔，也就是“亲吻”；随后迅速收缩为表面积减半的小囊泡，叫作“收缩”；最终大部分囊泡以“逃逸”方式回收，少数发生“全融合”。“中间收缩是一个关键，为神经突触实现高效、高保真信号传递提供了结构基础。”毕国强说。

  这一成果为深入理解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研究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。