柏林訊 – 一個由柏林夏里特醫學院（Charité—Universitätsmedizin Berlin）Christian Rosenmund 教授領導的研究團隊，成功利用顯微影像捕捉到了大腦功能中一個關鍵的瞬間：

神經傳遞物質的釋放。這項突破性的研究成果發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上，為我們深入了解神經突觸的運作機制開啟了新的視野。

超高解析度技術揭示神經傳遞的奧秘

傳統上，研究神經傳遞過程充滿挑戰，因為這些事件發生在極短的時間內，且涉及極小的結構。然而，隨著超高解析度技術的發展，科學家們現在能夠以前所未有的精確度觀察這些過程。

三種神經傳遞模式

神經傳遞主要有三種模式：

刺激依賴性釋放（evoked）、異步刺激依賴性釋放（asynchronous evoked release）和自發性釋放（spontaneous release）。

刺激依賴性釋放：

這種模式與傳入的動作電位緊密相連。當接收到動作電位時，突觸小泡幾乎立即與突觸前膜融合，釋放神經傳遞物質。這就像賽跑運動員聽到發令槍響後立即起跑一樣，動作是瞬時且同步的。

異步刺激依賴性釋放：

這種模式的神經傳遞物質釋放並非與動作電位完全同步，而是在動作電位之後的一段時間內發生。

自發性釋放：

這種模式的神經傳遞物質釋放是隨機發生的，不依賴於動作電位。

冷凍電鏡技術捕捉突觸活動的瞬間

研究團隊利用冷凍電鏡技術（cryo-electron microscopy）觀察突觸的活動。這項技術涉及快速冷凍樣品，使其保持在接近自然狀態下的結構，然後使用電子顯微鏡進行成像。

光遺傳學改造小鼠神經元

為了觀察突觸的活動，研究人員使用了經過光遺傳學改造的小鼠神經元。這種改造使得神經元可以通過光照來激活，從而立即觸發神經傳遞物質的釋放。

毫秒級的凍結

在光脈衝刺激後的 1 到 2 毫秒內，研究人員將神經元在零下 180°C 的液態乙烷中快速冷凍。這種“速凍”方法可以瞬間停止所有細胞活動，從而使研究人員能夠使用電子顯微鏡觀察這些結構。

突觸融合的精確步驟

研究結果揭示了突觸小泡與細胞膜融合的精確步驟：

1. 點狀連接： 最初，突觸小泡與細胞膜之間形成一個點狀連接。

2. 孔洞擴張：

這個微小的連接隨後擴張成一個孔洞，神經傳遞物質通過這個孔洞進入突觸間隙。

絲狀連接維持神經傳遞

研究還發現，許多融合的突觸小泡通過絲狀物連接在一起，這表明存在一種維持神經傳遞的機制。

冷凍電鏡核心設施（CFcryo-EM）

這些影像是在冷凍電鏡核心設施（CFcryo-EM）中產生的，這是一個由夏里特醫學院、馬克斯·德爾布呂克中心（Max Delbrück Center）和萊布尼茨分子藥理學研究所（Leibniz Research Institute for Molecular Pharmacology，FMP）共同運營的技術平台，由 Christoph Diebolder 博士領導。

對神經系統疾病的潛在影響

這些關於突觸機制的深入了解，對於理解和治療癲癇等神經系統疾病具有重要意義。通過了解突觸如何工作，科學家們可以開發出更有效的治療方法，以針對這些疾病的根本原因。

未來展望：神經科學研究的新紀元

這項研究不僅揭示了神經傳遞的細節，也展示了超高解析度技術在神經科學研究中的巨大潛力。隨著技術的不斷發展，我們有望在未來更深入地了解大腦的複雜運作機制，並開發出更有效的治療方法來應對各種神經系統疾病。此外，神經影像和傳感技術在不斷進步，例如深度學習增強體積和功能神經螢光成像，以及光學相干斷層掃描（DµOCT）等新技術，都將為神經科學研究提供更強大的工具。

總結與研判

這項研究利用先進的冷凍電鏡技術，成功捕捉到了神經突觸釋放神經傳遞物質的即時影像，揭示了突觸融合的精確步驟和維持神經傳遞的機制。這些發現不僅加深了我們對大腦功能的理解，也為開發治療神經系統疾病的新方法提供了重要的線索。隨著相關技術的持續發展，我們有理由相信，未來的神經科學研究將會取得更多突破性的進展，為人類健康帶來更大的福祉。

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原始資料來源: GO-AI-6號機 Date: December 17, 2025