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中国团队开发毫秒级时间分辨冷冻电镜技术 破解神经动态捕捉难题
2025年10月22日 13:45:39
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：4830
中国科研团队运用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回收的动态全过程，揭示其经历“亲吻-收缩-逃逸/融合”三阶段，为理解大脑高效信息传递及脑疾病机理研究提供了全新视角。
近日，中国科学技术大学研究团队联合国内外合作者，在神经科学领域取得重大突破。团队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在神经信号传递过程中释放与快速回收的完整动态序列，并据此提出了一种全新的“亲吻-收缩-逃逸/融合”模型。该研究成果解决了领域内长达半个世纪关于囊泡释放机制的关键争议，为理解大脑高效信息处理的“微观密码”及探究相关脑疾病机理提供了全新视角。相关论文已发表于国际权威学术期刊《科学》(Science)。
大脑功能的实现依赖于数百亿神经元之间高效、精准的突触传递。突触囊泡作为神经递质的载体，其释放机制是神经科学的核心问题。过去数十年间，科学界主要存在“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和纳米空间尺度，传统技术难以捕捉其瞬时动态，导致相关研究长期陷入困局。
为攻克这一技术难题，该科研团队开发了具有毫秒时间分辨率的原位冷冻电镜技术。该技术将光遗传学刺激与投入式快速冷冻方法相结合，实现了对神经元突触传递过程的毫秒级“动态定格”。在实验中，研究人员在培养的大鼠海马神经元中表达光敏蛋白，通过激光精准激发动作电位以触发囊泡释放，并在设定时间点(4毫秒至300毫秒之间)将载有样品的电镜载网迅速投入冷冻剂，瞬间固定细胞结构，从而捕获囊泡在不同阶段的精细结构快照。
通过对上千套高分辨率三维结构数据进行系统分析，研究团队揭示了囊泡释放与快速回收的三阶段动态过程：首先，囊泡与突触前膜发生短暂接触，形成约4纳米的脂质融合孔(“亲吻”阶段)；随后，囊泡迅速收缩，表面积减小至原先的一半左右(“收缩”阶段)；最终，大部分收缩后的囊泡关闭融合孔并以“逃逸”方式脱离前膜进行快速回收，少数囊泡则发生“全融合”并入前膜。研究指出，中间的“收缩”阶段是实现神经突触高效、高保真信号传递的关键结构基础。
此项成果不仅为深入探究神经信息加工以及相关脑功能和疾病机理开辟了新路径，其研发的时间分辨冷冻电镜技术平台，也为分析细胞内其他快速生命过程，如病毒入侵、细胞分泌等，提供了强大的方法学工具。
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