精确到毫秒级！深圳科学家联合揭秘神经“信使”传递机制

北京时间10月17日，中国科学技术大学（简称“中国科大”）/中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院毕国强、刘北明、陶长路团队，联合美国加州大学洛杉矶分校周正洪团队、南方科技大学王培毅团队、深圳先进院孙坚原团队在国际学术期刊《科学》发表最新研究成果。

在该研究中，研究团队通过自主研发的毫秒级时间分辨原位冷冻电镜成像技术，破解了神经信息传递过程中，突触囊泡释放与快速回收的完整生物物理过程，并提出“亲吻-收缩-逃逸/融合”模型。这一成果统一了科学界关于突触囊泡释放与回收机制长达50年的两个争议模型，为理解神经信号传递、神经可塑性及相关脑疾病机理提供了全新视角。

研究团队讨论数据分析。

大脑的思考、记忆、感觉等功能的实现，依赖于内部神经元之间精准高效的突触信息传递。当神经电信号传来时，神经元中的突触囊泡就会释放神经“信使”，进而激活下一个神经元，从而完成神经信息的传递。

这一过程究竟是如何发生的？这一科学问题仍未有定论。

冷冻电镜断层成像技术（cryo-ET），作为一种“超级显微镜”，通过将细胞样品快速冷冻“定格”在近生理状态，并进行三维成像，从而获得细胞的分子水平结构数据。2010年起，研究团队就致力于将cryo-ET成像应用于神经突触的结构与功能研究中。在该研究中，他们首次在神经突触中观测到一类直径约为29纳米的“小囊泡”（正常突触囊泡直径约为42纳米左右），并推测其为囊泡释放的中间状态。

为了“看清”突触囊泡传递信息的动态过程，研究团队将光遗传学刺激与投入式冷冻技术进行耦合，开发出了毫秒级时间分辨的冷冻电镜制样技术：首先，通过光刺激诱导神经元传递电信号，在信号发出后的4毫秒至300毫秒之间的不同瞬间，对细胞进行快速冷冻“定格”。

这就好比一台拥有毫秒级快门的相机，精准捕捉囊泡释放的瞬时状态，由此获得了上千套高分辨率的神经突触三维重构数据。进一步结合图像处理技术，研究人员清晰地观察到囊泡与细胞膜的半融合结构、两者之间形成的狭小融合孔，以及介导两者融合的蛋白复合物。同时分析出不同形态的突触囊泡数量随时间的变化规律。

时间分辨冷冻电镜技术解析突触囊泡释放与回收动态过程。

基于此，研究团队清晰地揭示了突触囊泡释放与快速回收的完整过程，并提出“亲吻-收缩-逃逸/融合”全新的理论模型：当神经信号达到后4毫秒内，装载着神经递质的囊泡先与突触前膜“亲吻”形成约4纳米的融合孔。随后，囊泡发生快速收缩，其表面积减半，变成小囊泡。最终，大部分小囊泡在70毫秒内开始以“逃逸”方式离开，少部分则与突触前膜“全融合”。

该研究刷新了传统认知：囊泡释放并非简单的全融合或亲吻-逃逸，而是包含一个关键的中间收缩阶段。这一进展，不仅统一了半个世纪以来的科学争议，也为深入理解神经信号传递、突触可塑性以及阿尔兹海默症、帕金森病等脑疾病发病机理研究提供了新视角。此外，研究团队开发的毫秒级时间分辨原位冷冻电镜成像等创新技术，有望为研究细胞内其他动态过程如病毒感染、药物作用等过程提供新的技术手段。

编辑 张铃佳 审读 郭建华 二审 徐雅乔  三审 彭健