我们的神经是如何保持兴奋的:生物学家看到了充满神经递质的气泡的超快循环

犹他大学和德国生物学家发现了神经细胞如何循环微小气泡或“囊泡”，这些气泡或“囊泡”将化学神经信号从一个细胞传递到下一个细胞。与之前提出的两种回收气泡的机制相比，这个过程要快得多，也不同。

研究人员拍摄了老鼠大脑细胞在快速冷冻细胞后用电子显微镜观察细胞发出的神经信号。这表明，这些小泡在将神经递质倒入两个神经细胞或神经元之间的间隙或“突触”后，仅十分之一秒就能循环形成新的气泡。

犹他大学生物学家Erik Jorgensen说:“如果不回收这些充满神经递质的容器或‘突触囊泡’，你可以移动一次就停下来，想一个想法就停下来，迈出一步就停下来，说一个词就停下来。”这项研究发表在12月4日的期刊上自然．

“一个快速的神经系统让你思考和行动。回收突触囊泡可以让你的大脑和肌肉保持工作时间超过几秒钟，”著名生物学教授约根森说。“这一过程也可能保护神经元免受卢伽雷氏症和阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的影响。因此，了解这一过程可能会在某一天为我们提供治疗方法。”

该研究的第一作者，博士后Shigeki Watanabe说，一个脑细胞维持300到400个囊泡的供应来发送化学神经信号，每秒使用几百个囊泡来释放神经递质。

囊泡循环被称为“内吞作用”。Jorgensen和Watanabe将他们观察到的过程命名为“超快内吞作用”。他们发现，囊泡的循环需要十分之一秒，这种循环发生在“活跃区”的边缘——神经细胞末端的地方，囊泡首先在这里向脑细胞之间的突触释放神经递质。

乔根森说:“这就像打地鼠游戏:一个囊泡下沉(融合和卸载)，另一个囊泡在其他地方冒出来。”

Jorgensen认为，超快内吞作用是回收囊泡的最常见方式，但他说，这项研究并没有推翻另外两个长期争论的假设:

• “吻了就跑的内吞作用”，这应该需要一秒钟，一个囊泡只是“亲吻”它的神经细胞内部，把神经递质倒在外面，然后“跑”，通过分离来改造活跃区域同一部分的循环囊泡。
• 网格蛋白介导的内吞作用”，据称需要20秒，发生在远离活动区的地方，在这一点上，一种名为网格蛋白的蛋白质将自己组装成一个足球形状的支架，形成一个新的囊泡或气泡。

今年早些时候，乔根森、渡边及其同事在该杂志上发表了一项相关研究eLife揭示了超快的内吞作用发生在线虫中。乔根森说，对小鼠海马脑细胞的新研究“告诉我们，哺乳动物——因此也是人类——也是这样做的。”“这两篇论文共同确定了一个以前从未见过的过程——比以前测量的要快得多。”

约根森和渡边和犹他大学生物学研究助理教授M.韦恩·戴维斯一起进行了这项研究;技术人员Berit Söhl-Kielczynski以及神经科学家Christian Rosenmund, Benjamin Rost和Marcial Camacho-Pérez，他们都是德国柏林慈善大学医学院的成员。

这项研究由美国国立卫生研究院、欧洲研究委员会和德国研究委员会资助。乔根森还获得了霍华德·休斯医学研究所研究员和亚历山大·冯·洪堡学者的资助。

小泡回收的机枪类比

囊泡从内部融合到神经细胞壁，然后将神经递质释放到突触的过程被称为“胞外作用”。一个类比可能是一个气泡从沸腾的汤中升起并释放蒸汽。气泡的液体部分与汤中的液体融合，迟早会产生另一个气泡。

2013年诺贝尔生理学或医学奖授予了三位科学家，他们发现了神经和其他细胞中囊泡运输货物和胞吐的关键方面:囊泡运输需要哪些基因，囊泡如何将货物运送到正确的位置，以及脑细胞中的囊泡如何释放神经递质，将信号发送到下一个大脑神经元。

Jorgensen, Shigeki和他们的同事研究了下一步，即内吞作用:形成囊泡的膜(和神经细胞壁)如何被回收以形成新的囊泡。

为了说明回收囊泡的三种可能机制，Jorgensen将囊泡与机枪炮弹进行了比较。

他说:“你正在将囊泡融合到神经细胞膜上，并以极高的速度排出神经递质内容物。”“在这样的速度下，突触会很快用完它的‘弹药’，所以细胞需要补充空壳。”

他说，网格蛋白介导的囊泡回收就像“从零开始重新制造外壳”，而“亲亲就跑”的内吞作用就像捡起每个空壳，一次填满一个。

Jorgensen说:“超快的内吞作用使突触能够将所有的空壳一手抓起来，填满它们，并以难以置信的速度将它们放回一排，这样机枪就永远不会耗尽弹药。”

闪现和冻结神经细胞在行动

Shigeki, Jorgensen及其同事开发了一种方法来拍摄神经细胞内的小泡，当气泡移动到细胞的末端，与细胞膜融合，将它们所携带的神经递质倒入神经细胞之间的间隙或“突触”，然后作为新的气泡重新出现在神经细胞内。

渡边说:“我们找到了一种方法，可以在一个前所未有的时间尺度上观察这一过程。”

首先，研究人员从老鼠海马体中培养了数百个脑细胞，海马体是大脑中形成记忆所需的经常被研究的部分，在四分之一英寸宽的蓝宝石圆盘上，放在含有生长介质的培养皿中。

他们在小鼠脑细胞中添加了一种藻类基因，使神经元产生一个“离子通道”——基本上是一个开关——由光而不是电刺激。然后，脑细胞被放置在一个超冷、高压的房间里，温度为零下310华氏度，压力是地球海平面大气的2000倍。

一根电线不能进入这个房间，这就是为什么细胞在基因上被设定为受光刺激。研究人员用蓝光照射小鼠脑细胞，使它们“发射”神经递质神经信号。与此同时，放电的神经元被液态氮冻结。为了捕捉所有放电阶段的神经元，神经细胞在蓝光闪现后的不同时间被冻结:15、30和100毫秒，以及1、3和10秒。

乔根森说:“我们制造了一种新设备来捕捉快速行为的神经元。”“它阻止了细胞内的所有运动，甚至是膜的融合。

渡边说:“我们称之为闪现和冻结。”

接下来，将含有神经元的蓝宝石圆盘放入液态环氧树脂中，使其硬化，然后将其切片，以便在电子显微镜下拍摄神经元。可见再生囊泡的超快形成。

“你可以看到膜的轮廓，”乔根森说。“你可以看到气泡或小泡在不同的形成阶段。”

渡边说，在研究过程中，大约有3000只老鼠的脑细胞突触被闪现、冷冻和分析。大约20%神经细胞已经被点燃并且显示出神经囊泡被循环利用的迹象。