三维电子显微镜揭示人死后前额叶皮层突触纳米结构的保留与功能关联

本研究通过聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)技术，首次在死后保存的人类前额叶皮层(DLPFC)中证实了突触超微结构与功能活动的三维关联。研究人员解决了死后组织能否反映突触功能的争议，发现突触活性区(active zone)、突触后密度(PSD)和线粒体等关键结构的定量关系与活体模型一致，为利用死后人脑组织研究神经精神疾病突触病理提供了方法学基础。

　　

人类大脑的突触是思维、情感和学习记忆的生物学基础，其功能障碍被认为是精神分裂症、自闭症等神经精神疾病的共同病理机制。然而，由于技术限制和样本获取困难，科学家们长期面临一个关键问题：死后保存的人脑组织能否真实反映突触在活体中的功能状态？这直接关系到我们能否通过解剖样本研究人类特有的突触病理特征。

美国匹兹堡大学精神病学系的Jill R. Glausier团队在《iScience》发表的研究给出了肯定答案。研究人员创新性地将聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)这一体积电子显微镜(VEM)技术应用于保存8年的人脑组织，以前所未有的5纳米各向同性分辨率，首次在三维空间证实了死后人脑突触纳米结构与功能指标的完整保留。

研究采用改良的Hua氏染色方案处理死后获取的背外侧前额叶皮层(DLPFC)样本，通过FIB-SEM分别以5nm和20nm体素尺寸成像，结合半自动三维重建技术，系统分析了50个I型谷氨酸能轴-棘突触的超微结构。特别关注了突触前活性区、突触后密度(PSD)和线粒体等与突触功能直接相关的亚细胞结构。

组织保存与成像质量验证
Nissl染色显示8年冷冻保存的DLPFC样本仍保持完好的皮层分层结构。FIB-SEM成像显示所有神经毡成分——包括谷氨酸能神经元的有棘树突、GABA能神经元的光滑树突、突触小泡和线粒体等细胞器——均呈现良好的超微结构保存，未见明显自溶迹象。

突触结构与功能关联
定量分析揭示突触前活性区体积(5.5±3.8×10⁶
nm³
)与PSD体积(8.0±5.1×10⁶
nm³
)呈强相关(r=0.76)，这与活体模型中"突触前后元件必须协同工作"的功能单元理论完全一致。含有线粒体的突触前终末其活性区和PSD体积显著更大，而含有树突棘装置或SER的突触其PSD体积也更大，这些关系均与活体突触"高活动状态"的特征相符。

独特的资源富集树突段
三维重建发现一个电子致密的树突段，其胞质内含有四个类丝状伪足的内陷结构，这些结构与突触后致密区相邻，周围分布着大量线粒体、SER和内体。该树突接受8个突触输入（包括6个I型和2个II型），并呈现双突触支配的棘突，这些特征共同表明这是一个具有高度可塑性和资源整合能力的"突触枢纽"。

分辨率比较验证
20nm体素尺寸的成像在突触密度计算(0.39/μm³
)和类型鉴别方面与5nm结果一致，但在突触后靶标识别上精确度较低，证实高分辨率对亚突触结构研究的必要性。

这项研究具有多重突破性意义：方法学上，建立了死后人脑突触超微结构研究的标准化流程，证实即使长达8年的组织保存也不影响关键功能指标的检测；科学发现上，首次在三维空间揭示了人脑特有的"资源富集"树突段，为理解人类高级认知的突触基础提供了新视角；临床应用上，为精神疾病突触病理研究开辟了新途径，特别是对需要死后脑组织研究的神经精神疾病如精神分裂症和自闭症具有重要意义。

研究也存在一定局限，如样本量较小(n=1)，且FIB-SEM技术目前仍存在通量限制。未来结合深度学习算法和更大样本队列，有望进一步揭示人类突触在健康和疾病状态下的纳米级差异。这项工作标志着体积电子显微镜技术在人类神经生物学研究中的应用迈入新阶段，为解密人脑突触的奥秘提供了强大工具。