[数码讨论]科学家揭示大脑高效传递信息的奥秘 [复制链接]

从中国科学技术大学获悉，该校毕国强教授团队17日在《科学》杂志发表一项神经科学领域的突破性研究成果，揭示了大脑高效传递信息的“微观密码”，也为相关脑疾病的机理研究提供了新视角。

  据了解，毕国强教授团队历经15年持续攻关，基于自主研发的毫秒级时间分辨冷冻电镜技术，成功捕捉到突触囊泡释放与快速回收的完整动态过程，并提出全新“亲吻-收缩-逃逸/融合”模型，解决了神经科学领域长达半个世纪的关键争议。

  大脑功能的实现，依赖于数千亿个神经元之间高效、精准的突触传递，突触囊泡作为神经递质的载体，其释放机制一直是神经科学领域的重要问题。自20世纪70年代以来，科学界围绕囊泡释放机制形成了“全融合”与“亲吻-逃逸”两种对立模型，但由于囊泡释放过程发生在毫秒时间尺度、结构变化处于纳米空间尺度，传统技术难以捕捉其瞬时动态，使这一争议困扰神经科学领域长达50年之久。

  为攻克这一难题，毕国强教授团队联合国内外多个团队，开发具有毫秒时间分辨的原位冷冻电镜技术，创新性地将光遗传学刺激与投入式快速冷冻方法结合，实现了对神经元突触传递过程的毫秒级“动态定格”。团队介绍，在具体实验中，他们在神经元中表达光敏蛋白，通过激光精准激发动作电位，触发突触囊泡释放。随后，载有样品的电镜载网在设定时间内快速落入冷冻剂，将细胞瞬间固定。通过精确控制光照与冷冻的时间间隔，团队得以在囊泡释放的不同阶段（从4毫秒到300毫秒之间）捕获其结构快照。

  团队进一步解释，基于上千套高分辨率三维结构数据的系统分析，他们发现囊泡释放与快速回收是一个可分为三阶段的动态过程——囊泡首先与突触前膜形成纳米级融合孔，也就是“亲吻”；随后迅速收缩为表面积减半的小囊泡，叫作“收缩”；最终大部分囊泡以“逃逸”方式回收，少数发生“全融合”。“中间收缩是一个关键，为神经突触实现高效、高保真信号传递提供了结构基础。”毕国强说。

  这一成果为深入理解神经信息加工以及相关脑功能和疾病机理提供了全新视角。同时，时间分辨冷冻电镜技术的研发为研究细胞内其他快速生命过程，如病毒入侵、细胞分泌等提供了创新方法平台。

大脑高效信息传递的奥秘：研究细分报告
1. 突触囊泡释放与回收的动态机制

定义： 神经元通过突触前膜释放神经递质（存储在囊泡内）传递信号，囊泡经历融合、释放、回收再利用的循环过程。
关键发现 (毕国强团队, Science 2025)：
开发 毫秒级时间分辨冷冻电镜技术 (光遗传刺激+投入式冷冻)，首次“动态定格”囊泡释放过程 (4ms - 300ms)。
发现囊泡释放/回收是 三阶段动态过程：
亲吻 (Kiss)： 形成纳米级融合孔。
收缩 (Shrink)： 囊泡迅速收缩，表面积减半（关键步骤，提高传递效率与保真度）。
回收机制：大部分 “逃逸”回收，少数发生“全融合”。
争论/挑战： “收缩”状态的具体分子驱动机制、不同脑区/神经元类型该过程是否存在差异仍需深入探究。
2. 神经信息编码的特异性策略

定义： 神经系统如何精确编码和区分海量、多样的内外部信息（如不同器官、组织层、刺激模态的感觉信号）。
关键发现 (常瑞/张乐团队, Nature 2022 - 迷走神经研究)：
迷走感觉神经元采用 “多维编码架构”：
正交基因轨迹： 分别编码信号来源的 内脏器官 和 组织层次 信息。
刺激模态特异性： 神经元群体对特定刺激类型（如化学、机械、光）有选择性反应。
通过组合少量维度的特异性，实现大规模信号的 高效平行传输与准确区分。
脑干对信息进行 “发散-收敛”式整合。
争论/挑战： 这种多维编码原则是否普适于整个神经系统（如中枢感觉、运动通路）？意识相关高阶认知信息如何编码仍是巨大挑战。
3. 技术突破驱动的观测革命

定义： 创新工具极大提升了对大脑微观、动态过程的观测能力，是揭示奥秘的核心驱动力。
关键进展：
毫秒级冷冻电镜 (2025)： 捕获突触传递瞬态结构 (毕国强团队)。
细胞类型特异性靶向 (灵长类)： 基于增强子开发 112种 AAV 载体，精准标记/操控灵长类特定脑细胞（中科院团队，2025），填补技术空白。
单细胞 & 空间组学： 绘制 猕猴屏状核单细胞空间转录组图谱 (中科院等，Cell 2025)，解析意识相关脑区精细结构。
Projection-seq & 功能筛选： 高通量解析神经投射与基因/功能关联 (如迷走神经研究)。
趋势： 技术向 更高时空分辨率、更大规模、多模态整合 (结构/功能/分子) 及 非侵入性 发展。挑战 在于技术复杂性、成本及对活体动态过程的持续观测。
4. 应用与交叉价值

定义： 对高效传递机制的理解推动脑疾病研究、类脑计算与健康干预。
关键联系与潜力：
脑疾病机理： 突触囊泡动态异常、神经编码紊乱与 阿尔茨海默病、帕金森病、精神疾病、智力障碍 (如脆性X综合症) 密切相关 (参考毕国强、Darnell等团队研究)。理解正常机制是解析病理的基础。
类脑计算与AI： 神经信息编码策略 (如高效并行、稀疏编码) 启发更强大的 人工智能算法 和 神经形态芯片 设计。
“迷你大脑” (类器官) 研究： 在体外模拟大脑发育/疾病 (如寨卡病毒致小头畸形)，并已用于 太空环境 研究 (2025)，探索微重力等对神经的影响。
运动改造大脑： 实证表明规律运动 (尤其有氧、球类、复杂动作) 显著促进 海马体生长 (提升记忆)、优化 神经递质平衡 (提升专注力)、增强 前额叶功能 (提升抗挫力)，从而 间接优化信息处理效率。
争论/前沿： “量子纠缠假说” (神经元间量子效应，上海大学2025) 极具争议，缺乏实验验证，是探索极限的前沿方向。

中国科大毕国强团队破解神经突触传递“微观密码”：50年争议终落幕

研究背景与意义
大脑作为人体最复杂的器官，其功能的实现依赖于数千亿个神经元之间通过突触进行的高效、精准的信息传递。突触囊泡作为神经递质的“运输载体”，其释放机制是神经科学领域的核心问题之一。自20世纪70年代起，科学界围绕囊泡释放机制形成了“全融合”（Full-collapse） 与 “亲吻-逃逸”（Kiss-and-run） 两种对立模型，前者认为囊泡与突触前膜完全融合并释放所有神经递质，后者则认为囊泡仅短暂接触膜后释放少量递质并迅速回收。由于囊泡释放过程发生在毫秒级时间尺度和纳米级空间尺度，传统技术难以捕捉其瞬时动态，这一争议持续了半个世纪之久。

突破性技术：毫秒级时间分辨冷冻电镜
为解决这一难题，中国科学技术大学毕国强教授团队历经15年持续攻关，自主研发了毫秒级时间分辨原位冷冻电镜技术。该技术的核心创新在于将光遗传学刺激与投入式快速冷冻方法巧妙结合，实现了对神经元突触传递过程的毫秒级“动态定格”。

技术原理与实验设计
1. 光遗传学精准刺激：在神经元中表达光敏蛋白，通过激光精准激发动作电位，触发突触囊泡释放。这确保了刺激的时空精度，避免了传统化学刺激的延迟和扩散效应。
2. 毫秒级快速冷冻固定：载有样品的电镜载网在设定时间间隔（4毫秒至300毫秒）内快速落入冷冻剂，将细胞瞬间固定在接近生理状态。这种“瞬间冻结”有效捕捉了囊泡释放过程中的瞬时结构变化。
3. 高分辨率三维结构分析：通过精确控制光照与冷冻的时间间隔，团队在囊泡释放的不同阶段捕获了大量结构快照。基于上千套高分辨率三维结构数据的系统分析，最终揭示了囊泡释放与回收的完整动态过程。

“亲吻-收缩-逃逸/融合”全新模型
基于实验数据，毕国强团队提出了“亲吻-收缩-逃逸/融合”（Kiss-Shrink-Run/Collapse） 的全新模型，统一了传统的两种争议模型。该模型将囊泡释放与快速回收过程分为三个关键阶段：

1. 亲吻（Kiss）：囊泡首先与突触前膜形成纳米级融合孔。这是囊泡与膜接触并打开释放通道的初始阶段，类似于传统“亲吻-逃逸”模型中的接触阶段。
2. 收缩（Shrink）：随后，囊泡迅速收缩为表面积减半的小囊泡。这一“中间收缩”是该模型的关键发现，此前未被传统模型关注。毕国强教授指出：“这个中间收缩是一个关键，为神经突触实现高效、高保真信号传递提供了结构基础。” 收缩过程可能减少了囊泡与膜的接触面积，加快了后续回收效率。
3. 逃逸/融合（Run/Collapse）：最终，大部分囊泡以“逃逸”方式回收至细胞内，少数则发生“全融合”。逃逸方式保证了囊泡的快速复用，而全融合则可能在特定条件下发生，释放全部神经递质。

科学价值与应用前景
1. 解决50年科学争议：该研究首次在毫秒级时间尺度上直观观测到囊泡释放的动态过程，证实了“收缩”这一关键中间步骤的存在，从而统一了“全融合”与“亲吻-逃逸”两种模型，为神经科学领域长达半个世纪的争论画上了句号。
2. 揭示神经信号传递机制：“中间收缩”机制的发现，阐明了神经突触如何实现高效、高保真的信号传递。这有助于深入理解大脑信息加工的基本原理。
3. 脑疾病研究新视角：该成果为阿尔茨海默症、帕金森病等神经退行性疾病的机理研究提供了全新视角。这些疾病往往伴随突触功能异常，明确囊泡释放机制有助于开发针对性治疗策略。
4. 技术创新平台价值：时间分辨冷冻电镜技术的研发不仅限于神经科学领域，还可广泛应用于研究细胞内其他快速生命过程，如病毒入侵、细胞分泌、细胞凋亡等，为生命科学各领域提供强大的研究工具。

学术认可与影响
该研究成果于2025年10月17日发表在国际顶级学术期刊《科学》（*Science*）杂志上。《科学》审稿人高度评价该成果，称其“是一项卓越的研究，提供了富有洞察力的视角”。这一突破标志着中国在神经科学领域的原创性研究达到了世界领先水平。

总结
毕国强教授团队通过15年的不懈努力，在毫秒级时间分辨冷冻电镜技术上的重大创新，成功破解了神经突触传递的“微观密码”。提出的“亲吻-收缩-逃逸/融合”模型不仅解决了半个世纪的科学争议，更为理解大脑功能、脑疾病机理及开发新型诊疗技术奠定了坚实基础。这一成果不仅是神经科学领域的里程碑事件，也彰显了我国在前沿生命科学技术研发方面的强大实力。