突触前所未见的细节

　　

科学家们创造了突触最详细的3D图像之一，突触是神经元通过交换化学信号相互交流的重要节点。这些纳米尺度的模型将帮助科学家更好地理解和研究神经退行性疾病，如亨廷顿氏病和精神分裂症。

这项新研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，由罗切斯特大学和哥本哈根大学转化神经医学中心联合主任Steve Goldman博士领导的研究小组撰写。这一发现代表了一项重大的技术成就，它使研究人员能够以前所未有的细节水平研究聚集在单个突触上的不同细胞。

“从文献中了解突触的结构是一回事，但亲眼看到单个细胞之间相互作用的精确几何形状是另一回事，”转化神经医学中心的研究副教授、该研究的合著者Abdellatif Benraiss博士说。“测量这些极小环境的能力是一个年轻的领域，有可能促进我们对许多神经退行性疾病和神经精神疾病的理解，这些疾病中突触功能受到干扰。”

研究人员使用这项新技术将健康小鼠的大脑与携带导致亨廷顿氏病的突变基因的小鼠的大脑进行了比较。戈德曼实验室先前的研究表明，功能失调的星形胶质细胞在这种疾病中起着关键作用。星形胶质细胞是大脑中被称为胶质细胞的支持细胞家族的成员，并帮助维持突触的适当化学环境。

研究人员关注的是涉及中棘运动神经元的突触，这些细胞的逐渐丧失是亨廷顿氏病的一个标志。研究人员首先必须识别隐藏在三种不同细胞之间的突触：来自远处神经元的突触前轴突。它的目标是突触后中棘运动神经元;以及邻近星形胶质细胞的纤维过程。

为此，研究人员利用病毒将不同的荧光标记分配到轴突、运动神经元和星形胶质细胞上。然后，他们取出大脑，用多光子显微镜对感兴趣的区域进行成像，并使用一种称为红外标记的技术，该技术使用激光在脑组织中创建参考点，这使得研究人员能够稍后重新定位感兴趣的细胞。

然后，研究小组使用位于哥本哈根大学的连续块面扫描电子显微镜检查了脑组织，这是一种研究大脑最小结构的研究工具。该设备使用金刚石刀连续移除并成像超薄脑组织切片，创建标记细胞及其在突触中的相互作用的3D纳米尺度模型。

“这些模型揭示了星形胶质细胞和它们的伙伴突触之间的几何和结构关系，这很重要，因为这些细胞必须在突触上以特定的方式相互作用，”转化神经医学中心高级助理、该研究的第一作者Carlos Benitez Villanueva博士说。“这种方法使我们能够测量和描述突触环境的几何形状，并将其作为神经胶质疾病的功能。”

在健康小鼠的大脑中，研究小组观察到星形细胞过程与圆盘状突触周围的空间结合并完全包围，形成了紧密的联系。相比之下，亨廷顿氏症小鼠的星形胶质细胞在投资或隔离突触方面没有那么有效，留下了很大的间隙。这种结构上的缺陷使得钾和谷氨酸——调节细胞间通讯的化学物质——从突触中泄漏出来，可能会破坏正常的细胞间通讯。

星形胶质细胞功能障碍与其他疾病有关，包括精神分裂症、肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆。研究人员认为，这项技术可以大大提高我们对这些疾病的精确结构基础的理解。他们特别指出，这项技术可能用于评估治疗这些疾病的细胞替代策略的有效性。细胞替代策略是用健康的神经胶质细胞替代生病的神经胶质细胞。