成像技术以新的清晰度捕捉神经元的交流方式

来自病童医院(SickKids)的先进成像技术首次展示了神经元是如何在原子水平上进行交流的。

　　

病童医院(SickKids)的科学家们首次在SickKids纳米生物医学成像设备上使用先进的成像技术，揭示了神经元用来交流的一种酶的原子结构。

所有的大脑活动——从记忆和情感到学习和运动控制——都是通过突触(神经元之间的连接)之间的交流实现的。当这种沟通不成功时，就会出现癫痫等各种情况。神经元是一种专门通过向突触发送称为神经递质的化学信号来与其他细胞进行交流的细胞。在大脑中，神经元之间有100万亿个突触。

神经元的交流方式已经被研究了几十年，但今天发表在《科学》杂志上的一项研究展示了来自数十万张高分辨率图像的模型，这些模型以新的清晰度揭示了突触的功能。

由分子医学项目高级科学家约翰·鲁宾斯坦博士和鲁宾斯坦实验室第一作者兼博士后克莱尔·库普兰博士领导的研究小组希望，通过捕捉神经元释放化学物质的图像和建模，他们可能能够提供新的治疗靶点，帮助改善对患有癫痫和其他神经系统疾病的儿童的护理。

在发表这些发现时，鲁宾斯坦分享了他的团队是如何捕捉这些图像的，以及他们的发现对未来的患者意味着什么。

关于神经元的交流方式，你的研究发现了什么?

当交流时，神经元释放神经递质到突触，传递给接收神经元。这些神经递质从被称为突触囊泡的小包中释放出来。一旦接收到信息，神经递质必须被重新吸收并重新包装到新的突触囊泡中，以清除突触，为下一个信号腾出空间。

为了促进这一过程，一种被称为囊泡型atp酶(v - atp酶)的酶作为泵将神经递质驱动到突触囊泡中。v - atp酶也调节神经递质从囊泡的释放。

在我们的研究中，我们了解到v - atp酶控制突触囊泡释放神经递质过程的方式是在囊泡装载后自发分解。我们发现，当我们用神经递质填充突触囊泡时，v - atp酶分裂成两部分，然后允许神经递质释放。

你是如何捕捉这个过程的图像的?

通过使用由SickKids纳米生物医学成像设施支持的新型生化方法和新型成像方法，我们能够分离突触囊泡并获得它们的图像。从那里，我们开发了新的计算方法来分析图像，以高分辨率显示囊泡中的v - atp酶——这是以前从未做过的。

我们根据使用低温电子显微镜(cro - em)捕获的图像创建了V-ATPase的3D模型，这是一种在-196℃下对样品进行成像的方法。我们的团队发现V-ATPase与突触囊泡的几种成分相互作用，其中包含许多参与神经递质释放的蛋白质和脂质。

最令人惊讶的是，我们了解到v - atp酶与一种叫做突触素的蛋白质相互作用。按重量计算，突触体素是最丰富的突触囊泡蛋白。直到现在，它在神经元中的功能还不为人所知。我们的发现表明突触素可能在突触囊泡最初形成时帮助募集v - atp酶。

这项研究的下一步是什么?

现在我们已经发现了v - atp酶与突触囊泡中的突触素相互作用，我们正在与神经科学与心理健康项目的高级科学家王陆洋博士合作，以了解这种相互作用在大脑中的作用。我们还想了解囊泡的装载是如何导致v - atp酶分解的，以及这个过程是如何控制神经元释放神经递质的。

在未来，这一过程可能成为许多健康状况的治疗靶点，包括某些类型的癫痫。

这项研究由加拿大卫生研究院(CIHR)、多伦多大学和自然科学与工程研究委员会(NSERC)资助。纳米生物医学成像设施的基础设施得到了加拿大创新基金会和安大略省研究基金的支持。