青科沙龙第176期 | Science & Cell 双刊解读:冷冻电镜揭示突触动态，高速成像描绘神经全景

大脑功能的实现依赖于神经元之间高效而精确的突触传递。动作电位到达突触前终端时，突触囊泡释放神经递质，实现信号的跨神经元传递。20世纪50年代，伯纳德·卡茨（Bernard Katz）提出神经递质量子化释放假说，奠定了神经信号传递的细胞机制基础。至20世纪70年代初，学界逐渐形成两种对立的囊泡释放模型：“全融合”（Full-collapse）与“亲吻-逃逸”（Kiss-and-run）。然而，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，相关研究长期受限于技术手段，使得这一争议成为神经科学领域悬置半个世纪的难题。

2025年10月17日，中国科学技术大学/中国科学院深圳先进技术研究院 脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院 毕国强、刘北明、陶长路团队，联合美国加州大学洛杉矶分校周正洪团队、南方科技大学王培毅团队及深圳先进院孙坚原团队，在《Science》期刊上发表题为“Kiss-shrink-run unifies mechanisms for synaptic vesicle exocytosis and hyperfast recycling”的研究论文。研究团队运用自主研发的毫秒级时间分辨原位冷冻电镜成像技术，首次在结构层面解析了神经信息传递中突触囊泡释放与超快速回收的生物物理过程，即“亲吻-收缩-逃逸/全融合”（Kiss-Shrink-Run/Collapse）机制。该成果成功统一了持续半个世纪的突触囊泡释放与回收机制争议，为深入理解神经信号传递、突触可塑性及相关脑疾病机制提供了全新理论框架。

冷冻电镜断层成像技术（cryo-electron tomography, cryo-ET）能够在近生理条件下对快速冷冻的细胞样品进行三维成像，是解析细胞内蛋白质及其他大分子结构与空间分布的有力工具。自2010年起，研究团队持续推动cryo-ET技术在神经突触结构与功能研究中的应用。经过多年攻关，团队成功实现对原代培养神经元完整突触的高分辨率成像。借助自主研发的三维重构软件IsoNet，研究人员清晰识别出多种形态的突触囊泡，并首次在突触前区域观测到直径约29纳米的小囊泡（正常囊泡直径约42纳米），推测其为囊泡释放过程中的中间态结构。

为验证上述推测并精确解析突触囊泡释放的动态过程，研究团队将光遗传学刺激与投入式冷冻技术相结合，开发出毫秒级时间分辨的冷冻电镜制样方法。实验中，研究人员在神经元中表达光敏蛋白，利用光刺激诱发动作电位，并在不同时间点（4–300毫秒）对细胞进行快速冷冻，从而捕捉囊泡释放的瞬态结构。基于该方法，团队获取了上千套神经突触的高分辨率三维重构数据。

随后，研究人员运用cryo-ET子断层平均技术（sub-tomogram averaging）对不同状态的囊泡进行三维平均，清晰识别出囊泡与细胞膜之间的半融合结构、狭窄的融合孔以及介导囊泡融合的蛋白复合物，证实这些囊泡处于释放过程中的中间阶段。统计分析显示，不同形态囊泡的数量随时间呈现特定的动态变化规律。

基于上述发现，研究团队系统描绘了突触囊泡释放与超快速回收的完整过程，并提出全新理论模型：在动作电位触发后约4毫秒内，囊泡首先与突触前膜形成约4纳米的融合孔（“亲吻”，kiss），随后收缩为表面积约为原来一半的小囊泡（“收缩”，shrink），最终大部分小囊泡在70毫秒内以“逃逸”（run）方式完成回收，少部分则发生“全融合”（collapse）。

该研究更新了传统认知：突触囊泡释放并非简单的“全融合”或“亲吻-逃逸”，而是包含一个关键的中间收缩阶段。这一“亲吻-收缩-逃逸”机制不仅统一了长期对立的两种理论模型，也揭示了神经突触高效、高保真信号传递的结构基础，为理解神经信号传递、突触可塑性及脑疾病机制开辟了新视角。同时，相关技术方法也为研究其他细胞内快速动态过程提供了重要工具。

文章研究机制图

研究二

在生物体内，一张由亿万根外周神经纤维编织而成的精密“生命物联网”无处不在。它承担着大脑与全身器官之间的双向通信，调控机体的运动、感觉及内脏功能。然而，该网络极其纤细复杂——单根神经纤维的直径仅相当于发丝的几十分之一，且蜿蜒穿行于全身各处组织之中。长期以来，“如何在清晰解析单根神经纤维精细结构的同时，完整呈现全身神经网络的宏观构架”，一直是神经科学领域亟待突破的技术难题。

2025年7月10日，中国科学技术大学毕国强教授、徐程特任副研究员、刘北明教授与祝清源高级工程师团队，在《Cell》上在线发表题为“High-speed mapping of whole-mouse peripheral nerves at subcellular resolution”的研究论文。该研究首创超高速小鼠全身亚细胞分辨率三维成像技术“blockface-VISoR”，成功实现对全身神经系统的高分辨率三维重建，绘制出前所未有的精细外周神经图谱，并取得多项重要科学发现。

毕国强团队长期致力于大尺度生物样品三维成像技术的研发。2019年，他们开发出三维同步飞扫技术（VISoR），通过对大体积生物样品进行厚切片与透明化处理，仅需1.5小时即可完成小鼠全脑的亚微米分辨率成像，并首次实现猕猴全脑的微米级三维成像与单神经纤维追踪。然而，这种“先切片后透明化”的策略难以适用于小鼠全身成像。与结构相对致密均质的大脑不同，小鼠全身组织类型多样、结构复杂，切片过程极易导致组织离散和结构丢失，从而阻碍整体结构的准确重建。

为应对这一挑战，研究团队提出“样品原位切片+切面三维成像”的全新策略，研发出集成精密振动切片装置的blockface-VISoR成像系统，并建立了配套的小鼠全身透明化与水凝胶包埋流程ARCHmap。该技术的核心原理在于：每次仅获取样品表面约600微米深度的三维图像，随后自动切除约400微米厚的组织层，循环往复、逐层推进，直至完成整只小鼠的图像采集。之后，利用自主开发的自动化拼接算法，对相邻切面约200微米的重叠区域进行三维无缝重构。由于每次扫描深度有限，透明组织的光散射效应显著降低，从而获得高质量的高分辨率图像。基于这一技术，研究团队首次在约40小时内实现了成年小鼠全身均一亚细胞分辨率的三维成像（可清晰分辨单根神经纤维），单通道原始图像数据量高达70TB。

该成像体系还兼容神经科学领域常用的多种标记方式，包括转基因技术、嗜神经病毒携带的荧光蛋白标记以及免疫荧光标记等。借助这一平台，研究团队取得了多项突破性发现：

1.单纤维追踪揭示脊神经新特征：在Thy1-EGFP转基因小鼠中，研究人员清晰追踪到单个脊神经元在全身范围内的完整投射路径，并批量重建了感觉与运动神经元的精细形态。首次发现胸段脊神经感觉神经元具有跨越多肋间节段的广泛投射特征，显著区别于运动神经元的分布模式。

2.交感神经分布模式刷新认知：通过全身免疫荧光标记，团队构建了首个小鼠全身交感神经系统“神经血管图谱”。研究发现，尽管多数组织中交感神经如预期般缠绕血管形成网络，但在胃与肠道区域却存在大量不伴血管分布的独立交感神经结构，挑战了传统解剖学认知，为理解内脏神经调控提供了新视角。

3.迷走神经支配模式首次可视化：结合嗜神经病毒稀疏标记与成像，研究人员首次在全身尺度上追踪到投射至胃或肺的单个迷走神经元的完整走行路径。结果显示，这些迷走神经元在进入目标器官前均不发生分支，呈现严格的“一对一”支配模式，为长期存在的“迷走神经是否以一对多方式支配脏器”的争议提供了直接证据。

总体而言，“ARCHmap-blockface-VISoR”技术构建了一个兼容多种荧光标记策略的高效通用成像平台，可实现全身多类型细胞的可视化。该技术不仅将介观连接组学研究从大脑拓展至全身神经系统，更为探索神经-免疫、神经-血管、神经-肿瘤等复杂系统间互作开辟了全新方向。

“眼见为实，我们可以不再依赖间接证据，而是直接‘看见’全身神经网络如何精密连接、如何与不同组织器官互作。”通讯作者毕国强教授指出。这项技术有望系统揭示“生命物联网”的线路图，回答神经生物学、系统生理学、发育生物学、解剖学乃至中医经络理论等领域中的关键科学问题，并为未来精准外周神经调控治疗等医学新技术的发展提供坚实的结构基础。

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