【中國科學報】神經突觸高精度三維結構獲解析

2021-01-15 中國科學院

抑制性突觸中受體等蛋白分子與細胞器組織分布的三維可視化圖。深圳先進院供圖

　　近日，中國科學技術大學、中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）雙聘教授畢國強和劉北明團隊，與美國加州大學洛杉磯分校教授周正洪合作，通過發展前沿冷凍電鏡斷層三維成像技術，解析了首個完整腦神經突觸在分子水平的高精度三維結構。相關研究成果發表於《自然-神經科學》。

　　大腦中每個神經細胞通過上千個微小的「突觸」與其它神經細胞相互連接。這些突觸是大腦行為、意識、學習與記憶等功能的最基本結構與功能單元，同時也是多種腦疾病發生的起源地。精確解析突觸中的蛋白分子結構和組織架構及其在神經活動或異常過程中的變化是解密大腦奧妙的一個關鍵環節，也是腦科學與腦疾病研究中最基礎的核心研究方向之一。

　　深圳先進院腦認知與腦疾病認知研究所和深港腦科學創新研究院腦信息中心是一支腦科學交叉研究團隊。該中心副研究員陶長路說：「突觸在光學顯微鏡下通常只有幾個像素大小，但是實際上裡面的分子結構非常複雜和精密，目前在很大程度上仍舊是一個『黑匣子』。」

　　畢國強介紹：「中心主要通過發展和應用冷凍電鏡斷層三維重構顯微成像、高通量全腦三維光學顯微成像、高時空精度的電生理與電化學檢測和智能計算等技術，獲取和分析腦神經系統精細結構和活動的海量數據信息，揭示神經系統信息處理的機制和原理，而這些基礎研究成果除了滿足人類的好奇心，可能會催生新一代人工智慧和腦疾病診療技術。」

　　畢國強等與其合作團隊首次利用冷凍電鏡解析了完整神經突觸的三維結構，並實現了對中樞神經系統中兩類最主要突觸——興奮性與抑制性突觸的精確區分以及結構特徵的定量化分析。在此基礎上，研究團隊發展了一種基於過採樣與自動分類的冷凍電鏡斷層三維成像亞區域圖像處理方法，實現了對細胞斷層三維重構圖像中無標記和無模板依賴的蛋白質自動識別和三維重構分析。基於這一方法，研究團隊實現了對抑制性神經突觸中受體的自動化辨別，並解析了其三維結構。

　　這項研究成果首次利用冷凍電鏡斷層成像技術對受體蛋白進行定位研究分析，為受體分子等蛋白質的原位高分辨解析以及相應藥物作用機理和開發研究奠定了基礎。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41593-020-00729-w

　　（原載於《中國科學報》 2020-11-10 第1版 要聞）

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