大脑功能的正常运作，从运动到感知再到认知，都依赖于神经环路连接中"突触"活性区在正确时间释放适量的化学信号。麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的研究人员通过追踪果蝇中突触活性区的形成和成熟过程，揭示了神经活动在发育过程中如何构建功能正常的神经连接的基本机制。
这项研究的资深作者、Picower研究所和MIT生物学系Menicon教授Troy Littleton指出，理解这一过程不仅有助于推进关于神经系统发育的基础知识，还因为许多疾病如癫痫、自闭症或智力障碍都可能源于突触传递的异常。这项部分由美国国立卫生研究院2021年资助的新研究，提供了关于活性区如何发展出跨越突触向其环路靶点传递神经递质能力的见解。研究表明，这一过程并非瞬时或命中注定，而是需要数天才能完全成熟，并且受到神经活动的调节。
新生突触如何成长
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。为了研究动物中活性区的成熟过程，科学家们需要追踪它们的年龄。这在以前是不可能的，但Akbergenova通过巧妙地将荧光蛋白mMaple（在15秒紫外线照射下会从绿色变为红色）工程化为突触接收侧谷氨酸受体的一部分，克服了这一障碍。这样，每当她想要时，她可以照射光线，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。
通过能够追踪每个活性区的"生日"，作者们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，实际上观察了突触在许多小时内是如何被构建的。起初，活性区无法传递任何信号。然后，随着一些关键的早期蛋白质积累，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（模拟神经环路中自然信号传递方式）则不能。只有在更多蛋白质到达后，活性区才拥有成熟结构，使钙离子能够触发谷氨酸囊泡与细胞膜的融合，以实现突触的诱发释放。
活动的重要性
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的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，他们选择的一种方法是阻断一种叫做突触结合蛋白1(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相关。此外，研究人员将活动阻断干预措施仅针对每个幼虫中的一个神经元，因为阻断所有神经元的活动将导致死亡。
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，而是继续使现有活性区变得越来越大。仿佛神经元能够告诉活性区没有释放谷氨酸，并通过提供更多的蛋白质材料来尝试使其工作。这种努力是以开始构建新活性区为代价的。
"我认为它试图做的是补偿活动的丧失，"Littleton说。
测试表明，神经元为了重启活动而构建的增大的活性区是功能性的（如果不是研究人员人为阻断它们的话）。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。为了验证这一点，科学家们在肌肉中敲除了一个谷氨酸受体成分，当他们这样做时，他们发现神经元不再使其活性区增大。
研究意义与未来方向
这项发现不仅加深了我们对神经发育基本机制的理解，还为开发针对神经发育障碍的新疗法提供了可能。许多神经系统疾病，如癫痫、自闭症谱系障碍和智力障碍，都与突触传递的异常有关。通过了解神经活动如何精确调控突触活性区的成熟和功能，研究人员可以开发出"分子杠杆"来增强或减弱突触传递，从而纠正这些疾病中的异常信号传递。
Littleton实验室已经开始研究这些发现提出的新问题。特别是：启动突触形成的分子途径是什么？告诉活性区已完成生长的信号是什么？找到这些答案将使研究人员更接近理解当突触活性区未能正常发育时如何进行干预。
这项研究由美国国立卫生研究院和Freedom Together基金会资助，除了Littleton和Akbergenova外，论文的其他作者还包括Jessica Matthias和Sofya Makeyeva。研究结果于10月14日发表在《神经科学杂志》上。
研究人员研究了神经元活动对其称为突触的环路连接发育的重要性。这些图像显示了神经元（上）和肌肉（下）之间形成的突触，中间有一狭窄裂隙。独特的T形结构表示活性区。上图显示突触正常发育，下图显示研究人员干扰了突触活动，导致活性区变得大得多。
从果蝇到人类：研究的转化潜力
尽管这项研究是在果蝇模型中进行的，但其发现很可能适用于更复杂的生物，包括人类。果蝇和人类在突触形成和功能的基本机制上存在显著保守性，这使得果蝇成为研究神经发育和功能的强大模型系统。
特别是，研究人员发现当突触活动被阻断时，神经元会尝试通过增大现有活性区来补偿这一缺陷，这一发现可能对理解人类神经发育障碍有重要启示。例如，在某些形式的自闭症中，突触传递可能存在异常，神经元可能试图通过改变其连接强度来补偿这些缺陷。
此外，研究突触活性区成熟的分子机制可能为开发新型治疗策略提供靶点。通过识别调控这一过程的关键蛋白质和信号通路，研究人员可以设计能够特异性增强或减弱突触传递的药物，从而纠正与神经系统疾病相关的异常信号传递。
技术创新：追踪突触发育的新方法
这项研究的一个关键突破是Akbergenova开发的新技术，使科学家们能够首次追踪单个突触活性区的年龄和发育轨迹。通过将荧光蛋白mMaple工程化为谷氨酸受体的一部分，并利用其从绿色到红色的光转换特性，研究人员可以区分"老"突触和"新"突触。
这一技术的创新之处在于它允许科学家们在一个发育中的生物体内实时观察突触的形成和成熟过程，而无需杀死动物或进行破坏性实验。这种方法不仅提高了研究的时空分辨率，还为研究突触发育的动态过程提供了前所未有的视角。
突触发育的分子机制示意图，展示了关键蛋白质如何随时间积累，导致活性区从无功能状态发展到能够自发释放神经递质，最终形成能够响应电刺激的成熟结构。
突触可塑性的基础
这项研究不仅揭示了突触活性区发育的基本机制，还加深了我们对突触可塑性这一神经科学核心概念的理解。突触可塑性是指突触强度根据活动经历而改变的能力，是学习和记忆的细胞基础。
研究发现，活性区的成熟是一个渐进过程，涉及多种蛋白质的有序积累和功能获得。这一过程受到神经活动的精确调控，表明突触可塑性从发育早期就已经开始。这一发现挑战了传统观点，即突触可塑性主要在学习过程中发挥作用，而在发育过程中主要由遗传程序决定。
相反，这项研究表明，即使在发育过程中，神经活动也通过调控突触活性区的成熟和功能，在塑造神经环路中发挥关键作用。这一见解为理解经验如何影响大脑发育提供了新框架，也为理解神经发育障碍的潜在机制提供了新视角。
结论与展望
这项关于果蝇突触活性区发育的研究不仅揭示了神经活动如何精确调控神经连接的形成和功能，还为理解神经发育和神经发育障碍提供了新见解。通过创新技术追踪单个突触的发育轨迹，研究人员发现活性区的成熟是一个渐进过程，涉及多种蛋白质的有序积累，并且这一过程受到神经活动的严格调节。
这些发现不仅增进了我们对神经系统发育的基本理解，还为开发针对与突触传递异常相关的神经系统疾病的新疗法提供了可能。通过识别调控突触活性区发育和功能的关键分子和信号通路，研究人员可以设计能够特异性增强或减弱突触传递的干预措施，从而纠正这些疾病中的异常信号传递。
未来研究将继续探索启动突触形成的分子途径和决定活性区成熟完成的信号机制。随着对这些基本机制的深入了解，我们有望开发出更有效的治疗策略，帮助那些受神经发育障碍影响的患者改善生活质量。
