低温电子断层扫描与大脑突触传输

脑细胞之间的信息传递是由复杂的生化过程回路控制的。神经递质分子由受电刺激的神经元在细胞间隙释放，并与另一个神经元的受体结合，从而在这些细胞之间建立联系。马克斯·普朗克生物化学研究所的Vladan Lučić博士将冷冻电子显微镜和玻璃化大脑样本的断层扫描相结合，正在开发一种强大的技术，使获得控制大脑中神经递质的释放和吸收的瞬态大分子复合物的详细图像成为可能。

大脑是迄今为止最复杂的并且是男人所知的最有效的生物结构之一。人脑由大约860亿高度相互关联的神经细胞或神经元组成。较高生物能够快速应对外部刺激的能力，为生存的工具和有组织的行为，以及在人类中，支持摘要思想和意识，这是与神经元交换信息的能力相关的关键与交换信息和创造短期或长期以来- 在大脑的不同区域之间传输的路径。与人工装置不同，如计算机，其中以在紧密连接的电子电路内流动的电流形式创建和操纵信息，脑中的神经元将它们的个性保持为细胞，并且通过交换化学物质，大多通过交换化学物质来互相通信作为神经递质。多年来数十亿多年的进化，神经传递者在神经元之间交换的过程已经针对令人难以置信的效率和可靠性进行了优化。然而，只有最近，我们才能能够深入了解调节这一过程的复杂生物化学机制。

神经元如何交流信息
与其他细胞相比，神经元具有非常独特的形态，其特征是一种细长的结构，称为轴突，从细胞体中突出，并以一组包含突触前末端的分支的形式终止。神经元突触是神经元之间的接触点，在这里信息从突触前细胞传递到突触后细胞。在一个兴奋的神经元中，电信号从细胞体到达突触时，会导致充满神经递质分子的小泡与突触膜融合，并将其内容释放到两个神经元之间的细胞外空间，即突触间隙。神经递质与突触后受体的结合触发化学过程，导致突触后神经元产生电信号，从而完成信息传递。

大脑中单个神经元之间的信息传递是通过精心调节的化学物质释放来实现的
神经递质。

神经递质释放是一个非常快速和复杂的过程，这需要涉及突触前蛋白的生化过程的精确时空协调。并不是每一个突触囊泡都能被释放:其他的生化过程参与了一些囊泡的释放，形成了所谓的容易释放池。这些过程大多是由大分子蛋白质复合物进行的，在许多情况下，大分子蛋白质复合物以短暂的形式存在，并仅在它们发挥其功能所需的时间内存在。

成像神经递质释放
电子显微镜(EM)可以用来成像生物样品，类似于传统的光学显微镜。在电子显微镜中，使用电子束而不是可见光，使其有可能达到比标准显微镜高得多的分辨率。然而，在电磁观测期间，样品必须保存在真空中。这在生物系统中是一个主要问题，因为水是样品的主要成分，在真空中蒸发，导致样品无法修复的损坏。化学固定和控制脱水可以部分解决这一问题，使EM适合于细胞器结构和功能的研究。尽管如此，这项技术仍然会导致样本改变，妨碍在分子水平上对细胞过程的研究。

冷冻电子断层扫描
在低温电子显微镜中，样品被冷却得如此之快，以至于水分子没有足够的时间重新定向并形成冰晶，这使它们变成了玻璃状的固体形式，称为玻璃状状态。马克斯·普朗克生物化学研究所的Vladan Lučić博士是低温电子显微镜与断层扫描结合使用的专家，断层扫描是一种将一个样本的多个不同方向的图像结合起来形成三维图像(断层扫描图)的方法。这种方法可以获得高分辨率、充分水化、玻璃化的细胞样本的三维图像，并保存在它们原有的环境和状态中。利用这种方法，Lučić博士和他的合作者首次能够成像蛋白质复合物和囊泡，它们都位于突触末端，准备释放神经递质，并在轴突运输的过程中。这是一个重要的结果,因为它证实了囊泡的蛋白复合物参与释放神经递质可能合成细胞体内,然后通过轴突运输到突触,并提供一个同步视图所涉及的货物的蛋白质和脂质膜的运输。

突触囊泡和神经活动
对从啮齿动物大脑中分离出来的突触进行的低温电子断层扫描实验表明，在活跃区，也就是神经递质准备释放的突触区域，突触囊泡被不同类型的细丝固定在突触膜上，与连接囊泡的细丝一起，作为组织囊泡的主要结构元素。为了了解这些细丝在神经递质释放过程中的功能和作用，Lučić博士和他的合作者开发了自动化软件程序，使得在不同释放相关状态下的突触成像中分析这些复合物的形态、精确位置和相互关系成为可能。他们发现，这些纤维是动态结构，对突触刺激作出反应，并通过限制突触囊泡在静止状态下的分散，并允许囊泡在突触活动期间活动释放，来调节突触囊泡的聚集。

低温电子断层扫描有可能提供神经递质释放机制的详细分子图像
突触膜。

基于这些发现，Lučić博士提出了一种神经递质释放的结构模型，在这个模型中，突触囊泡最初通过长栓链与突触膜相连，在随后的步骤中可能获得多个短栓链。这种结构组织的变化使囊泡准备在突触间隙释放神经递质。

神经递质释放的分子模型
尽管低温电子断层扫描技术对突触活动机制的深入研究达到了前所未有的水平，但许多技术问题阻碍了这种方法的应用，使其无法完全解开突触膜上囊泡启动和神经递质释放的复杂性。低温电子断层摄影术的固有优点之一是，给定样品的所有成分都能同时成像。相比之下，光学显微镜只能用来成像那些人工标记的荧光分子物种。这一事实使低温电子断层摄影术中分子及其复合物的识别极为复杂，除非是形状各异的非常大的复合物。

为了解决Cryo-Electro-Electron断层扫描的限制，Lučić博士及其合作者目前正在追求两种方法。其中一个包含在分析杂交遗传上除去的突触。这为与未修改的突触相比缺少的结构的分子标识提供了提示。第二种方法依赖于在含有大量不同蛋白质的细胞冷冻电子断层摄影中的膜结合复合物的检测和分类的基础软件的开发。用该方法获得的一些蛋白质类别是足够均匀的，以允许使用可用程序的平均。

这项工作已经导致了一些蛋白质复合物的初步鉴定，根据它们的平均结构和细胞位置，这是应用低温电子断层扫描直接检测的第一步，在其固有的细胞环境中参与突触传递的蛋白质复合物的定位和鉴定。