神经系统功能，从运动到感知再到认知，都依赖于神经回路连接或"突触"的活性区在正确时间发出适量的化学信号。通过追踪果蝇中突触活性区的形成和成熟过程，麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的研究人员揭示了一个基本模型，展示了发育过程中的神经活动如何构建功能正常的连接。
研究背景与意义
"理解这一过程非常重要，不仅因为可以增进我们对神经系统发育的基本认识，还因为许多疾病如癫痫、自闭症或智力障碍可能源于突触传递的异常，"资深作者、Picower研究所和MIT生物学系Menicon教授Troy Littleton说。这项部分由2021年国立卫生研究院资助的新研究，提供了关于活性区如何发展能力以将神经递质跨越突触传递到其回路靶点的见解。
研究表明，这一过程不是瞬间或预先确定的。研究显示，突触完全成熟可能需要数天时间，并且这一过程受到神经活动的调节。Littleton解释说，如果科学家能够完全理解这一过程，他们就可以开发分子策略，在疾病中突触传递过多或过少时进行干预调节。
"我们当然希望能够有杠杆来增强或减弱突触强度，"Littleton说。"因此，了解我们可以拉动以潜在改变输出的全套杠杆将是令人兴奋的。"
创新研究方法
在这项研究中，研究人员检查了将神经递质谷氨酸跨越突触传递以控制果蝇幼虫肌肉的神经元。为了研究动物体内活性区的成熟过程，科学家需要追踪它们的年龄。这在以前是不可能的，但研究负责人、Littleton实验室研究科学家Yuliya Akbergenova巧妙地克服了这一障碍。
她将荧光蛋白mMaple（在被15秒紫外线照射时会从绿色变为红色）工程化为突触接收侧谷氨酸受体的一部分。然后，每当她想要时，她都可以照射光线，所有在此之前形成的突触都会发出红光，而随后形成的新突触则会发出绿光。
通过追踪每个活性区的"生日"，作者可以记录活性区在出生后几天内如何发展其增加输出的能力。研究人员通过标记构成活性区的八种蛋白质中的每一种，实际观察了突触在数小时内如何被构建。起初，活性区无法传递任何东西。然后，随着一些基本早期蛋白质的积累，它们可以自发释放谷氨酸，但如果受到其宿主神经元的电刺激（模拟神经回路中可能自然发生的信号传递），则无法传递。只有在更多蛋白质到达后，活性区才具备成熟结构，使钙离子能够触发谷氨酸囊泡与细胞膜融合，以实现跨突触的诱发释放。
神经活动的关键作用
当然，构建过程不会永远持续下去。在某个时候，果蝇幼虫会停止构建一个突触，然后随着神经元轴突扩展以跟上肌肉的生长，进一步向下构建新的突触。研究人员想知道神经活动是否在驱动这一完成一个活性区并继续构建下一个活性区的过程中发挥作用。
为了找出答案，他们采用了两种不同的干预措施来阻止活性区释放谷氨酸，从而防止突触活动。值得注意的是，他们选择阻断一种名为Synaptotagmin 1的蛋白质的作用。这一点很重要，因为人类中破坏该蛋白质的突变与严重的智力障碍和自闭症有关。此外，研究人员将活动阻断干预措施针对每只幼虫中的一个神经元，因为阻断所有神经元的活动会导致死亡。
在研究人员阻断活动的神经元中，他们观察到两个后果：神经元停止构建新的活性区，而是不断使现有的活性区变得越来越大。就好像神经元能够告诉活性区没有释放谷氨酸，并试图通过提供更多蛋白质材料使其工作。这种努力以开始构建新活性区为代价。
"我认为它试图做的是补偿活动损失，"Littleton说。
测试表明，神经元在希望重启活动而构建的增大的活性区是功能性的（或者如果不是研究人员人为阻止它们，将会是功能性的）。这表明神经元感知谷氨酸未被释放的方式很可能是来自突触肌肉侧的反馈信号。为了测试这一点，科学家在肌肉中敲除了一个谷氨酸受体组分，当他们这样做时，他们发现神经元不再使其活性区变大。
研究展望与未来方向
Littleton说，实验室已经在研究这些发现提出的新问题。特别是：首先触发突触形成的分子途径是什么，以及告诉活性区它已停止生长的信号是什么？找到这些答案将使研究人员更接近理解当突触活性区未正常发育时如何进行干预。
除了Littleton和Akbergenova，论文的其他作者是Jessica Matthias和Sofya Makeyeva。除了国立卫生研究院，Freedom Together基金会也为这项研究提供了资金。
突触成熟的多阶段过程
这项研究揭示了突触成熟是一个多阶段的过程，每个阶段都依赖于特定的蛋白质积累和神经活动。最初形成的活性区缺乏功能性，只能随着关键蛋白质的积累而逐渐获得传递信号的能力。这一发现挑战了突触一旦形成就立即具有功能的传统观点，强调了发育过程中神经活动的重要性。
疾病干预的新靶点
研究发现的神经活动与突触成熟之间的关系为开发针对神经系统疾病的新疗法提供了潜在靶点。特别是，那些与Synaptotagmin 1蛋白突变相关的疾病，如自闭症和智力障碍，可能通过调节突触活性区的发育过程来治疗。这一发现为"精准医学"在神经科学领域的应用开辟了新途径。
研究方法的创新
Akbergenova开发的荧光标记技术为研究突触发育提供了强大工具。通过能够区分新旧突触，研究人员首次能够精确追踪活性区的成熟过程，揭示了这一动态过程的细节。这种方法不仅适用于果蝇研究，也可能为其他生物系统的突触研究提供借鉴。
神经回路的自我调节机制
研究发现的神经元通过增大现有活性区来补偿活动损失的现象，揭示了神经回路具有自我调节的能力。这种机制可能确保即使在发育过程中出现某些功能障碍，神经系统仍能维持基本的信号传递能力。这种适应能力可能是神经系统具有高度可塑性的基础。
突触可塑性的分子基础
研究不仅描述了突触成熟的宏观过程，还深入探讨了其分子机制。通过追踪八种关键蛋白质的积累模式，研究人员揭示了突触功能逐步建立的分子路径。这些发现为理解突触可塑性的分子基础提供了新视角，有助于开发针对突触功能障碍的治疗策略。
神经发育异常的早期干预
突触成熟过程的详细理解可能为早期干预神经发育异常提供线索。通过识别突触发育的关键阶段和调控因素，科学家可能开发出在发育早期检测和纠正突触功能障碍的方法，从而预防或减轻自闭症、癫痫等神经发育疾病的影响。
突触研究的未来方向
这项研究为突触研究开辟了多个新方向。未来的研究可能探索不同类型神经元中突触成熟过程的异同，以及环境因素如何影响这一过程。此外，研究团队提出的关于突触形成起始信号和终止信号的问题，将成为未来研究的重要课题，有望进一步揭示神经系统发育和功能的奥秘。
