近日,中国科学技术大学、中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)双聘教授毕国强和刘北明团队,与美国加州大学洛杉矶分校教授周正洪合作,通过发展前沿冷冻电镜断层三维成像技术,解析了首个完整脑神经突触在分子水平的高精度三维结构。相关研究成果发表于《自然—神经科学》。

大脑中每个神经细胞通过上千个微小的“突触”与其它神经细胞相互连接。这些突触是大脑行为、意识、学习与记忆等功能的最基本结构与功能单元,同时也是多种脑疾病发生的起源地。精确解析突触中的蛋白分子结构和组织架构及其在神经活动或异常过程中的变化是解密大脑奥妙的一个关键环节,也是脑科学与脑疾病研究中最基础的核心研究方向之一。

深圳先进院脑认知与脑疾病认知研究所和深港脑科学创新研究院脑信息中心是一支脑科学交叉研究团队。该中心副研究员陶长路说:“突触在光学显微镜下通常只有几个像素大小,但是实际上里面的分子结构非常复杂和精密,目前在很大程度上仍旧是一个‘黑匣子’。”

毕国强介绍:“中心主要通过发展和应用冷冻电镜断层三维重构显微成像、高通量全脑三维光学显微成像、高时空精度的电生理与电化学检测和智能计算等技术,获取和分析脑神经系统精细结构和活动的海量数据信息,揭示神经系统信息处理的机制和原理,而这些基础研究成果除了满足人类的好奇心,可能会催生新一代人工智能和脑疾病诊疗技术。”

毕国强等与其合作团队首次利用冷冻电镜解析了完整神经突触的三维结构,并实现了对中枢神经系统中两类最主要突触——兴奋性与抑制性突触的精确区分以及结构特征的定量化分析。在此基础上,研究团队发展了一种基于过采样与自动分类的冷冻电镜断层三维成像亚区域图像处理方法,实现了对细胞断层三维重构图像中无标记和无模板依赖的蛋白质自动识别和三维重构分析。基于这一方法,研究团队实现了对抑制性神经突触中受体的自动化辨别,并解析了其三维结构。

这项研究成果首次利用冷冻电镜断层成像技术对受体蛋白进行定位研究分析,为受体分子等蛋白质的原位高分辨解析以及相应药物作用机理和开发研究奠定了基础。(见习记者刁雯蕙通讯员桂运安)