《PNAS》科学家发现一个独特的突触

　　

莱斯大学、芝加哥大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员创建了第一个定量模型，展示了钾离子(K+)和电信号是如何通过突触迅速将信息传递到大脑的。  

     

内耳需要速度

负责让我们走路、跳舞、移动头部而不感到头晕或失去平衡的感觉器官配备了特殊的突触，这些突触处理信号的速度比人体其他任何器官都快。经过超过15年的研究，一个由来自不同机构的神经科学家、物理学家和工程师组成的团队终于揭示了特殊突触的工作原理。这一突破将为进一步的研究铺平道路，这些研究有可能加强眩晕和平衡障碍的治疗，这些疾病影响着多达三分之一的40岁以上的美国人。

这项发表在《PNAS》上的新研究描述了“前庭毛细胞-萼突触”的工作原理，这种突触存在于内耳器官中，负责感知头部的位置和不同方向的运动。莱斯大学生物工程师Rob Raphael说:“没有人完全理解这个突触是如何如此之快的，但我们已经揭开了这个谜团。”他与芝加哥大学的Ruth Anne Eatock、伊利诺伊大学芝加哥分校的Anna Lysakowski、莱斯大学现任研究生Aravind Chenrayan Govindaraju和莱斯大学前研究生Imran Quraishi(现任耶鲁大学助理教授)共同撰写了这项研究。莱斯大学应用物理学研究生Aravind Chenrayan Govindaraju在COMSOL Multiphysics有限元建模站发现了内耳机制的隐藏细节，该机制通过大脑中已知的最快信号来帮助哺乳动物保持平衡。  

突触是一种生物连接，神经元可以将信息传递到彼此和身体的其他部位。人体包含数以万亿计的突触，几乎所有突触都通过量子传输共享信息，量子传输是一种通过神经递质传递化学信号的形式，通过突触发送信息至少需要0.5毫秒。先前的实验表明，在前庭毛细胞萼突触中发生了一种更快的“非定量”传输形式，前庭毛细胞是运动感应前庭毛细胞与直接连接到大脑的传入神经元相遇的点。这项新研究解释了这些突触如何如此迅速地运作。在每一个细胞中，一个接收信号的神经元环绕着它的伙伴毛细胞的末端，周围有一个大的杯状结构，称为萼（calyx）。萼和毛细胞之间仍然有一个微小的缝隙或裂缝，长度只有十亿分之一米。

“前庭萼是大自然的奇迹，”Lysakowski说。“它巨大的杯状结构在整个神经系统中是独一无二的。结构和功能是密切相关的，自然显然投入了大量的精力来产生这种结构。很长时间以来，我们一直在试图弄清楚它的特殊用途。”

通过在毛细胞及其相关的盏状细胞中表达的离子通道，作者创建了第一个能够定量描述信号在纳米级间隙中的非定量传输的计算模型。模拟非定量传输使研究小组能够研究整个突触间隙中发生的事情，前庭突触间隙比其他突触更广泛。  

Raphael说:“这种机制被证明是相当微妙的，动态相互作用产生了快速和缓慢的非量子传输形式。为了理解这一切，我们根据突触的详细解剖和生理构造制作了一个生物物理模型。”

该模型模拟了萼对机械和电刺激的电压响应，跟踪了钾离子通过低压激活离子通道从突触前毛细胞到突触后萼的流动。

Raphael说，该模型准确地预测了突触间隙中钾的变化，提供了关于电势变化的关键新见解，而电势变化是导致非定量传输的快速成分;解释了非定量传导如何单独触发突触后神经元的动作电位;并展示了快速和缓慢的传输是如何依赖于毛细胞上的萼形成的紧密而广泛的杯状结构。

Eatock说:“关键的能力是能够预测裂缝内每个位置的钾含量和电势。这使得研究小组阐明了非定量传输的大小和速度取决于萼的新结构。这项研究证明了工程方法在阐明基本生物机制方面的力量，这是生物工程研究的重要但有时被忽视的目标之一。”

Quraishi在2000年代中期开始构建模型并与Eatock合作，当时他是Raphael研究小组的研究生，而她是贝勒医学院的教职人员，该学院距离莱斯大学在休斯顿的德克萨斯医学中心只有几个街区。他的第一个版本的模型捕捉到了突触的重要特征，但他说，“我们对组成模型的特定钾离子通道和其他成分的知识非常有限，无法断言它是完全准确的。”

从那时起，Eatock, Lysakowski和其他人在萼中发现了离子通道，这改变了科学家对离子电流如何流经毛细胞和萼膜的理解。

Qurashi说，“未完成的工作让我很有压力”，当应用物理学博士生Govindaraju在2018年加入Raphael的实验室并重新开始模型的工作时，他既宽慰又兴奋。

“当我开始这个项目时，更多的数据支持非定量传输，”Govindaraju说。但其机制，尤其是快速传播的机制尚不清楚。建立这个模型让我们更好地理解了不同离子通道的相互作用和作用，萼结构，以及突触间隙中钾和电势的动态变化。”

Raphael说:“我最初获得的资助之一是开发一个内耳离子运输的模型。对复杂的生理过程建立统一的数学模型总是令人满意的。在过去的30年里，自从最初观察到非定量传输以来，科学家们一直在想，“为什么这个突触这么快?”以及“传输速度与独特的萼结构有关吗?”’我们已经为这两个问题提供了答案。”

他说，萼的结构和功能之间的联系“是进化如何推动形态专业化的一个例子。一个令人信服的论点是，一旦动物从海洋中出现，开始在陆地上移动，在树上摆动和飞行，前庭系统的需求就会增加，以迅速向大脑传递头部在空间中的位置。这时，萼出现了。”

Raphael说，该模型为前庭突触中信息处理的深入探索打开了大门，包括对量子和非量子传输之间独特相互作用的研究。

他说，该模型也可以成为研究神经系统其他部分电传输的研究人员的强大工具，他希望它能帮助那些设计前庭植入物的人，神经假体设备可以恢复失去平衡的人的功能。

参考文献:Nonquantal transmission at the vestibular hair cell–calyx synapse: K_LV currents modulate fast electrical and slow K+ potentials