神经系统从运动到感知再到认知的各种功能，都依赖于神经回路连接处——"突触"的活性区能够以适当的量、在适当的时间释放其化学信号。通过追踪果蝇中突触活性区的形成和成熟过程，麻省理工学院皮考尔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元活动如何构建功能正常的神经连接。
研究背景与意义
"理解这一过程的发生机制非常重要，"资深作者、皮考尔研究所的Menicon生物学教授Troy Littleton表示，"这不仅有助于推进我们对神经系统发育的基本知识，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。"
这项研究部分由2021年美国国立卫生研究院的资助支持，为活性区如何发展出跨越突触向其回路靶点传递神经递质的能力提供了见解。研究表明，这一过程并非即时或命中注定的，它可能需要数天时间才能完全成熟，并且受到神经元活动的调节。
"如果科学家能够完全理解这一过程，"Littleton说，"他们就可以开发分子策略来干预，当突触传递在疾病中过多或过少时进行调整。"
创新研究方法
在研究中，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，但研究科学家Yuliya Akbergenova巧妙地将荧光蛋白mMaple（在被15秒紫外线照射时会从绿色变为红色发光）改造为突触接收侧谷氨酸受体的一部分。这样，每当她需要时，她就可以照射光线，在此之前形成的所有突触都会发出红光，而随后形成的任何新突触则会发出绿光。
通过追踪每个活性区的"生日"，作者们能够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，实际观察了突触在许多小时内是如何构建的。最初，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，但无法被其宿主神经元的电刺激所诱发（模拟该神经元在回路中可能被自然信号传递的方式）。只有在更多蛋白质到达后，活性区才拥有成熟的结构，使钙离子能够触发谷氨酸囊泡与细胞膜融合，以实现诱发释放跨越突触。
活动对突触发育的关键影响
当然，构建不会永远持续下去。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适应不断增长的肌肉，沿着线路构建新的突触。研究人员想知道神经元活动是否在推动完成一个活性区并开始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，而是继续使现有的活性区越来越大。仿佛神经元能够知道该活性区没有释放谷氨酸，并试图通过提供更多蛋白质材料来使其工作。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，神经元为希望重新启动活动而构建的扩大的活性区是功能性的（如果研究人员不是人为地阻断它们的话）。这表明神经元感知到谷氨酸没有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变大。
未来研究方向与潜在应用
Littleton表示，实验室已经在研究新发现提出的新问题。特别是：最初启动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发育不当时如何进行干预。 这项研究的发现为神经科学领域开辟了新的研究方向。研究人员现在可以探索分子信号如何精确控制突触的形成和成熟过程，以及这些机制如何在不同类型的神经元中变化。此外，研究团队计划进一步探索突触活动与神经发育障碍之间的联系，特别是那些与突触结合蛋白1突变相关的疾病。
从临床应用的角度来看，这项研究为开发新型治疗方法提供了理论基础。通过了解如何调节突触传递强度，科学家可能能够设计出针对特定神经疾病的治疗方法。例如，在癫痫中，可能需要减弱某些突触的传递强度；而在某些认知障碍中，可能需要增强特定神经回路的连接。
研究方法学贡献
除了科学发现外，这项研究还贡献了重要的方法学创新。Akbergenova开发的荧光标记技术使科学家能够首次追踪单个突触的年龄和发育过程，这一方法可以应用于多种生物模型系统，为神经发育研究提供了新的工具。
此外，研究团队采用的多重蛋白质标记策略为理解突触结构的组装顺序提供了前所未有的细节。通过同时标记八种构成活性区的蛋白质，研究人员能够构建出突触发育的时间线，揭示了蛋白质积累的精确顺序及其与功能获得的关系。
科学界的影响
这项研究成果已在《神经科学杂志》上发表，引起了神经科学界的广泛关注。研究不仅提供了关于突触发育的基本见解，还为理解神经发育障碍的机制提供了新视角。许多专家认为，这项工作可能会改变我们对神经元如何形成功能性连接的理解，并可能影响未来针对神经疾病的治疗策略。
研究团队已经收到了多个国际合作邀请，希望能够将这一方法应用于其他生物模型，如小鼠和斑马鱼，以验证这些发现在更复杂神经系统中的普遍性。此外，几家制药公司也对这项研究表示兴趣，希望探索基于这些发现的潜在治疗方法。
结论与展望
这项研究揭示了神经元活动在调节突触发育中的关键作用，为理解神经系统如何构建精确的连接提供了新见解。通过展示突触成熟是一个受活动调节的渐进过程，而非预先确定的程序，这项工作为开发针对突触传递异常疾病的干预策略奠定了基础。
随着研究的深入，科学家们有望发现更多调节突触发育的分子机制，并开发出能够精确调控突触传递强度的方法。这不仅对基础神经科学具有重要意义，也为治疗各种神经发育和神经退行性疾病带来了新的希望。
正如Littleton所说："我们当然希望能够有杠杆可以推动来使突触更强或更弱。因此，了解我们可以拉动的杠杆范围，以潜在地改变输出，将是非常令人兴奋的。"
随着这一领域的发展，我们可能会看到更多基于突触调节的创新治疗方法出现，为那些目前难以治疗的神经系统疾病患者带来新的希望。这不仅代表了神经科学的进步，也为人类理解和干预大脑功能开辟了新的可能性。
