中国科大突破毫秒级动态成像,揭示神经突触传递新机制

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近日,中国科学技术大学毕国强教授团队在《科学》杂志发表了一项具有里程碑意义的神经科学研究。该团队历经十五年持续探索,成功开发出毫秒级时间分辨冷冻电镜技术,首次完整捕捉到突触囊泡在神经传递过程中释放与回收的动态结构,并据此提出全新的“亲吻-收缩-逃逸/融合”模型,为长达半个世纪的学术争议画上句号。

人类大脑中数百亿神经元依靠突触间的信号传递实现复杂功能,而突触囊泡作为神经递质的载体,其释放机制一直是领域内的核心问题。自上世纪70年代以来,科学界围绕其过程形成了“全融合”与“亲吻-逃逸”两种对立假说,但因该过程在毫秒时间与纳米尺度内完成,传统技术难以捕捉瞬时结构变化,争议长期悬而未决。

为突破这一瓶颈,毕国强团队联合国内外科研力量,创新融合光遗传学控制与投入式快速冷冻技术,实现了对神经元活动过程的毫秒级“动态定格”。实验通过在神经元中导入光敏蛋白,利用激光精准激发动作电位,随后在设定时间点将样品瞬间冷冻固定,从而在囊泡释放的不同阶段获取结构快照。

通过对上千套三维结构数据的系统分析,研究团队揭示出囊泡释放与回收是一个包含三个连续阶段的动态过程:囊泡首先与突触前膜建立纳米孔道连接,随后迅速收缩为体积减半的小泡,最终多数囊泡以“逃逸”方式回收再利用,少数发生完全融合。这一中间“收缩”阶段的确认为理解神经信号高效传递的结构基础提供了关键证据。

该研究不仅解决了神经科学领域的关键争议,也为探索脑功能机制及相关疾病研究开辟了新路径。同时,这项时间分辨冷冻电镜技术平台的建立,为观测病毒入侵、细胞分泌等其它快速生命过程提供了创新方法支撑。

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