突触体的生物光子活动传递机制研究

The signal communication in neural circuits is the basis for the realization of various functions of the nervous system. At present, the traditional theory of bioelectrical and chemical signals is difficult to explain the advanced functions of the nervous system, such as cognition, learning and memory, emotion and consciousness. By using an ultraweak biophoton imaging system (UBIS), we found that glutamate could induce significant increase of biophotonic activities in mouse brain slices, which could transmit along the axons of cortical projection neurons, and in the intrahippocampal neural circuits. These results suggested that the mechanism of neural biophoton information transmission and processing is closely related to the advanced brain function. Recently, combining the ultra-weak biophoton imaging system (UBIS) with the biophoton spectral analysis device (BSAD), we found that human high intelligence is involved in spectral redshift of biophotonic activities in the brain. However, the origin and cross synaptic transmission mechanism of glutamate induced biophoton remain unclear. In this proposal,we will separate synaptosomes and mitochondria by using animals brain tissues and human brain collected from “Chinese Brain Bank Center(CBBC)”. Then, using UBIS system combined with BSAD and transmission electron microscope to research glutamate induced biophoton activities changing in synaptosomes and ultrastructural alteration of synaptosomes. Therefore, we will provide evidence for elucidating the origin of glutamate induced biophoton activities and the mechanisms of synaptic transmission.

神经环路的信号通讯是神经系统实现各种功能的基础。经典的神经电信号和化学信号理论难以解释神经系统的高级功能，如认知、学习和记忆、情感和意识等。使用本实验室创制的生物光子成像系统(UBIS)在脑片上发现谷氨酸能诱导生物光子活动并在皮质投射神经元轴突和海马神经环路上传递，从而提出了神经生物光子信息传递和处理机制与高级脑功能密切相关。最近，使用UBIS并结合生物光子光谱分析装置(BSAD)，我们发现人类拥有更高的智力可能与神经环路上生物光子活动的光谱红移有重要的关联。但谷氨酸诱导的生物光子的起源和跨突触传递机制仍然不清楚。因此，本课题将使用从“中国人脑库中心”收集的人脑及其他动物的脑组织制备出突触体和线粒体，运用UBIS系统结合BSAD以及透射电子显微镜探讨谷氨酸诱导的突触体生物光子活动的特征性改变以及突触体超微结构变化，为阐明谷氨酸诱导的生物光子的起源和跨突触传递机制提供研究证据。

神经环路的信号通讯是神经系统实现各种功能的基础。最近的研究发现神经系统上生物光子信息传递和处理与高级脑功能密切相关，但谷氨酸诱导的生物光子的起源和跨突触传递机制仍然不清楚。我们通过改良的percoll法分离制备出的活性更好、结构更完整且纯度更高的突触体和线粒体，然后使用超弱生物光子成像系统分别检测了谷氨酸和谷氨酸受体激动剂或拮抗剂诱导的小鼠脑片、突触体和线粒体的生物光子活动特征，并用透射电镜观察到四个特征时期其形态结构的明显改变，实验结果显示突触体的生物光子活动和传递主要与谷氨酸受体特别是NMDA受体相关，这为阐明谷氨酸诱导的生物光子的起源和跨突触传递机制提供了重要的研究证据。. 我们还初步探讨了生物光子与意识的关系，结果表明不同神经递质的协同作用导致的生物光子活动和传递可能在意识的起源和意识状态的转换上扮演重要的角色，这为阐明意识的生物学基础提供新的思路，推动了“光量子脑”研究的进程。同时我们也发现谷氨酸诱导的小鼠脑片生物光子光谱随年龄增长呈现光谱蓝移，这可能为阿尔兹海默病等老龄化相关的神经系统疾病的病理机制及其预防和治疗研究提供新的思路。. 以上的研究进一步扩展了超弱生物光子成像系统（UBIS）和生物光子光谱检测系统（BSDS）的应用，为这一拥有自主知识产权的核心技术的转化提供的重要的基础。