突触小泡池动态调控的空间模型揭示海马神经元高频放电下的囊泡循环机制

本研究通过创新的囊泡建模技术，首次构建了海马突触囊泡循环的分子-空间模型，揭示了synapsin-1和tomosyn-1通过磷酸化调控储备池囊泡招募的协同机制，证实了高频刺激下囊泡循环的稳健性，为理解突触可塑性提供了新视角。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

突触传递是大脑信息传递的核心机制，其核心环节——突触囊泡的锚定、释放与再循环——长期以来存在两大谜题：一是囊泡池（包括即刻释放池RRP、循环池和储备池）的动态分区机制不明；二是高频神经活动下囊泡循环如何维持稳定性。传统模型因技术限制无法模拟囊泡的分子复杂性和空间动态，尤其缺乏对储备池招募机制的阐释。

为解决这些问题，国外研究团队开发了突破性的囊泡建模技术，基于STEPS（随机反应扩散模拟引擎）构建了海马突触的全周期分子-空间模型。该模型首次整合了囊泡扩散、蛋白质互作、膜融合等全过程，并通过对pH敏感荧光蛋白pHluorin标记的神经元实验验证，揭示了synapsin-1和tomosyn-1通过磷酸化级联调控储备池募集的分子开关作用。研究发表于《SCIENCE ADVANCES》。

关键技术包括：1）基于电子显微镜重建的突触形态构建三维网格模型；2）囊泡表面蛋白质互作模拟（如synapsin介导的簇集）；3）钙依赖性融合与内吞的动力学建模；4）大鼠海马神经元原代培养与pHluorin动态成像。

主要结果

1. 内吞紧密跟随外吐：模型显示即使50 Hz超生理频率刺激下，内吞延迟仅2-3秒，内吞/外吐比稳定在0.84-0.87，但囊泡膜蛋白在质膜累积量随频率增加155%（50 Hz vs 5 Hz的17%）。

2. 储备池使用的频率依赖性：pHluorin实验证实，5 Hz刺激仅释放48%初始囊泡池，而50 Hz可动员74%，与模型预测的储备池使用率从9%（5 Hz）升至45%（50 Hz）高度一致。

3. 囊泡簇快速解离：10 Hz刺激24秒后，synapsin二聚体介导的囊泡簇迅速解离，伴随30% tomosyn-1从囊泡释放；阻断PKA磷酸化则完全抑制储备池招募。

4. tomosyn-1的闸门作用：tomosyn-1基因敲除使储备池使用增加70%，而过表达则减少29%总囊泡释放，证实其通过Rab3-GTP竞争性结合抑制囊泡锚定。

5. 选择性栓系提升效率：Rab3依赖的囊泡栓系（模拟myosin V作用）使循环池使用效率提升28%，同时减少48%储备池招募。

结论与意义
该研究揭示了突触囊泡循环的双重调控范式：synapsin-1通过磷酸化控制囊泡簇的物理分散，而tomosyn-1通过钙调神经磷酸酶(CaN)依赖的去磷酸化解除对Rab3的抑制，二者协同实现储备池的按需动员。选择性栓系机制进一步优化了循环效率，避免储备池过度消耗。这一发现不仅解释了海马神经元在行为相关高频放电（5-20 Hz）下的突触稳定性，还为突触可塑性障碍相关疾病（如癫痫、神经退行性疾病）提供了新的分子靶点。模型技术的突破更为研究其他亚细胞过程（如长时程增强LTP）开辟了新路径。