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1、【重磅】Nature :突触的结构远比你想象的精确导读：近日，来自马里兰医学院的科学家们发表于 nature 上的文章，报道了它们利用单分子成像技术观察到了 突触上的“纳米柱”结构。该结构有助于神经科学家更加深刻 地理解神经递质传递的过程。 虽然科学家很久以前就知道，神经细胞之间通过突触传导信 息。一个细胞将携带的信息通过谷氨酸盐、多巴胺、五羟色 胺等神经递质传递给另一个细胞，神经递质激动接受信号的 神经元上的受体，从而传递兴奋或抑制的信息。 但是，除了上述的基本概要之外，这个大脑中最重要的生理 过程是怎样发生的？其中的具体细节并不清楚。现在，来自 马里兰医学院的科学家们首次阐明了这一过程的框
2、架。他们 的研究发表于 7 月 27 日的 nature 上。 突触是一个非常复杂的分子机器。结构又十分微小，只有几 百万分之一英尺。我们的大脑中约有100 万亿个突触，每一 个都精确地在细胞间传递强弱信号。为了在亚显微镜尺度可 视化这一过程，研究人员发明了一种单分子成像技术，这一 技术可以定位并追踪活细胞内单个突触边界的蛋白质分子 运动，通过这种方法，科学家意外地发现了一种十分精确的 神经传递模型。 研究人员观察了体外培养的大鼠神经元，其整体结构与人类 突触十分相似。“见所未见，这是一项全新领域的研究。”领 导该项工作的生理学系副教授 Thomas Blanpied 说。“多年 以来，我们罗
3、列出了在突触发现的多种类型的分子，但是我 们并不是非常清楚这些分子是如何装配，或者在结构上如何 发挥作用的。现在，通过单分子成像技术去绘制关键蛋白质 图谱，我们最终揭示突触的核心结构。”在这篇文章中，Blanpied描述了突触结构意想不到的一方 面，它或许能解释为何突触如此高效的同时在疾病中又很容 易被破坏。在每个突触部位，关键蛋白质被安排得井井有条。“传递信号的实际条件比我们想象的神经递质分子在受体附 近释放更加苛刻，”Blanpied说。“两个神经元的蛋白质以令 人难以置信的精确度对齐，几乎在两个细胞之间形成了一个 可伸缩的圆柱体。”这种程度的契合优化了传递过程的耗能， 并且也提示了我们调
4、节递质传递过程的新方法。 理解这个结构有助于弄清大脑运作或精神及神经病理情况 下细胞之间是怎样交流的。此外， Blanpied 还关注粘附分子 的活动，粘附分子从一个细胞伸展到另一个细胞，它可能是 “纳米柱”的重要组成部分。他怀疑如果粘附分子不能在突触 的正确位置，突触结构将被破坏，神经递质也就不能完成它 们的任务。Blanpied 猜想至少在某些紊乱之中，确实会出现那种即使大 脑有正常数量的神经递质，但突触仍然不能有效地传递它们 的情况。Blanpied认为对突触结构更深刻的理解有助于更好地了解 一些脑部疾病，如抑郁症、神经分裂症和阿尔茨海默病，并 给新疗法提供思路。Blanpied和他的同
5、事在接下来会探索突触结构是否在某些 疾病中会发生改变，他们将在精神分裂症鼠模型中观察它们 的突触。备注：本文编译自medicalxpress网站原标题：“For the first time, researchers see structure that allows brain cells to communicate”原文信息A trans-synaptic nanocolumn aligns neurotransmitter release to receptors10.1038/nature19058Synaptic transmission is maintained by a de
6、licate, sub-synaptic molecular architecture, and even mild alterations in synapse structure drive functional changes during experience-dependent plasticity and pathological disorders1, 2. Key to this architecture is how the distribution of presynaptic vesicle fusion sites corresponds to the position
7、 of receptors in the postsynaptic density. However, while it has long been recognized that this spatial relationship modulates synaptic strength3, it has not been precisely described, owing in part to the limited resolution of light microscopy. Using localization microscopy, here we show that key pr
8、oteins mediating vesicle priming and fusion are mutually co-enriched within nanometre-scale subregions of the presynaptic active zone. Through development of a new method to map vesicle fusion positions within single synapses in cultured rat hippocampal neurons, we find that action-potential-evoked
9、fusion is guided by this protein gradient and occurs preferentially in confined areas with higher local density of Rab3-interacting molecule (RIM) within the active zones. These presynaptic RIM nanoclusters closely align with concentrated postsynaptic receptors and scaffolding proteins4, 5, 6, sugge
10、sting the existence of a trans-synaptic molecular nanocolumn. Thus, we propose that the nanoarchitecture of the active zone directs action-potential-evoked vesicle fusion to occur preferentially at sites directly opposing postsynaptic receptor-scaffold ensembles. Remarkably, NMDA receptor activation triggered distinct phases of plasticity in which postsynaptic reorganization was followed by trans-synaptic nanoscale realignment. This architecture suggests a simple organizational principle of central nervous system synapses to maintain and modulate synaptic efficiency.
