神经突触囊泡融合与量子化神经递质释放的研究

Neurotransmitter loaded in the synaptic vesicle is the synaptic information carrier. The loading process is very accurate. Quantalized synaptic neural transmission depends not only on the vesicle size and neurotransmitter molecules loaded by the transporter, but also the vesicle fusion mode and the fusion kinetics. They both are of great concern for neuronal information coding and synaptic transmission mechanisms. However, how the neuronal electrical activities modulate vesicle fusion? How quantal neurotransmitter release affects quantal neuronal information coding? They are still challenging and interesting issues in neuroscience and synaptic transmission field. So far, people can’t detect glutamatergic vesicle fusion kinetics and quantal release simultaneously with high spatial and temporal resolution, which is an important technical bottleneck in synaptic transmission field. In this project, we use the cell-attached capacitance system, combined with amperometic technology, false transmitter and optogenetic technology to uncover the vesicle exocytotic and endocytotic kinetics, the neuronal electrical activities effect on vesicle fusion and the regulation effect of fusion mode on quantal transmitter release.

突触囊泡中神经递质是信息的载体，装载神经递质是一个精确的过程。神经递质的量子化释放不仅依赖于囊泡的尺寸和转运体转入递质的分子数，而且依赖于囊泡的融合模式及其动力学特性，在神经信息编码和神经突触传递机制中至关重要。神经电活动是如何调制囊泡融合规律的？神经递质的量子化释放规律是如何决定神经信息量子化编码的？一直是神经科学神经突触传递领域具有挑战性并引起广泛兴趣的重要问题。人们长期以来无法对中枢神经系统最主要的兴奋性谷氨酸能神经突触中单个囊泡的融合动力学特性和量子式释放特性进行同步的、高时空分辨率的观测。这已经成为突触神经信息传递乃至神经科学领域内的重要技术瓶颈。本项目采用已建立并优化的基于细胞贴附式膜电容检测技术的高精度突触信号检测系统，结合电化学检测、伪递质装载和光遗传技术，研究囊泡胞吐和胞吞的动力学特性、神经电活动对囊泡融合回收的调制以及不同囊泡融合模式对递质量子化释放的调节作用。

突触囊泡中神经递质是信息的载体，装载神经递质是一个精确的过程。神经递质的量子化释放不仅依赖于囊泡的尺寸和转运体转入递质的分子数，而且依赖于囊泡的融合模式及其动力学特性，在神经信息编码和神经突触传递机制中至关重要。人们长期以来无法对中枢神经系统最主要的兴奋性谷氨酸能神经突触中单个囊泡的融合动力学特性和量子式释放特性进行同步的、高时空分辨率的观测。这已经成为突触神经信息传递乃至神经科学领域内的重要技术瓶颈。本项目采用基于细胞贴附式膜电容检测技术的高精度突触信号检测系统，研究囊泡胞吐和胞吞的动力学特性和递质量子化释放特征。.首先利用细胞贴附式记录技术，对Calyx突触前终末钙离子通道活动记录。在体记录系统电流噪声峰峰值约为0.25pA。低噪声的检测系统保证了研究钙离子通道电流特性，也为后续基于细胞贴附式膜电容和化学电流检测技术在突触的开展奠定了基础。利用细胞贴附式膜电容技术研究Calyx突触单个突触囊泡胞吐和胞吞的动力学特性，得到单个囊泡膜电容约为70aF的，相当直径约为46nm，与EM结果一致。电化学电流检测前探索研究玻璃微电极和碳纤电极的适配方案，将碳纤电极进行蚀刻，使得碳纤电极尺寸缩小到微米到亚微米级别。对小鼠嗜咯细胞分别进行常规裸电化学电极模式、松膜片钳电化学检测模式和膜片钳电化学检测模式检测。发现松膜片钳模式与膜片钳电化学模式能更好的捕捉并记录到完整的囊泡中的递质分子。因此对小鼠纹状体单个曲张体做松膜片钳电化学检测，计算单个事件的电荷数约为4.56fC，相当于15,116个递质分子。基于伪递质装载技术，对Calyx突触预装载多巴胺，并对其突触前释放的量子化神经递质进行检测。在松膜片钳模式形成后能记录到单个囊泡释放的信号，并呈现钙浓度依赖性。我们成功的完整的检测到单个囊泡递质量子化释放，为神经信息编码提供了一种重要的检测技术。