科学家揭示了大脑如何有效传输信息的秘密

中国经济网版权所有 中国经济网新媒体矩阵 网络广播视听节目许可证（0107190）（京ICP040090） 光明日报合肥10月19日电 记者丁一鸣、常从中国科学技术大学获悉，毕国强教授团队17日在《科学》杂志上发表了神经科学领域的突破性研究成果。它揭示了大脑高效传递信息的“微观密码”，也为研究相关脑部疾病的机制提供了新的视角。据了解，毕国强教授团队经过15年的持续研究，基于自主研发的毫秒级“Kiss-Con”技术牵引-逃逸/融合”模型，成功捕捉到了突触小泡释放和快速回收的完整动态过程，解决了神经科学领域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、准确的突触传递。突触小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开发了两种相反的模型：“完全融合”和“亲吻-逃逸”。然而，由于囊泡释放过程发生在毫秒尺度，结构变化发生在纳米空间尺度，传统技术很难捕捉即时动态。这一争议已经困扰神经科学领域 50 年。为了攻克这一难题，毕国强教授团队与国内外多个团队合作，开发出毫秒级时间分辨率的原位冷冻电镜技术。它创新地将光遗传学刺激与快速FR的输入结合起来eezing方法实现神经元突触传递过程的毫秒级“动态冻结”。据团队介绍，在具体实验中，他们在神经元中表达光敏蛋白，用激光精确刺激动作电位，并触发突触小泡的释放。随后，携带样品的电子显微镜网格快速浸入冷冻剂中设定的时间，立即固定细胞。通过精确控制照明和冻结之间的时间，该团队捕获了囊泡在释放的各个阶段（从 4 毫秒到 300 毫秒）的结构快照。研究团队进一步解释说，基于对数千组高分辨率三维结构数据的系统分析，他们发现囊泡释放和快速回收是一个动态过程，可分为三个阶段——囊泡首先与突触前膜形成纳米级融合孔，即“亲吻”；然后它们迅速收缩成表面积被分割的小囊泡，这就是所谓的“收缩”；最后，大多数囊泡以“逃逸”方式被回收，有些囊泡则经历“完全融合”。毕国强说：“中间收缩是关键，它为跨突触高效、高保真信号传输提供了结构基础。”这一成功令人印象深刻，为深入理解神经信息处理以及相关的大脑功能和疾病机制提供了新的视角。同时，时间分辨冷冻电镜技术的发展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的方法学平台。