2023年10月17日，国际顶级学术期刊《科学》（Science）在线发表了中国科学技术大学毕国强教授团队的一项突破性研究成果。该团队历时15年，基于自主研发的毫秒级时间分辨冷冻电镜技术，首次捕捉到神经元突触囊泡释放与回收的完整动态过程，并提出“亲吻-收缩-逃逸/融合”全新理论模型，成功解决了神经科学领域长达半个世纪的关键争议，为理解大脑高效信息传递机制及脑疾病机理研究提供了全新视角。
50年争议一朝破解：从“全融合”到“三阶段动态”
大脑功能的实现依赖于数千亿神经元之间通过突触传递信号，而突触囊泡作为神经递质的“运输车”，其释放与回收机制一直是神经科学的核心难题。自20世纪70年代起，科学界围绕囊泡释放机制形成两大对立假说：
“全融合”模型：认为囊泡与突触前膜完全融合后释放递质，随后囊泡膜完全融入细胞膜；
“亲吻-逃逸”模型：主张囊泡仅以“亲吻”方式短暂接触细胞膜释放递质，随后囊泡膜完整回收。
然而，由于囊泡释放过程发生在毫秒级时间尺度、结构变化处于纳米级空间尺度，传统技术（如荧光显微镜、常规冷冻电镜）无法同时捕捉其瞬时动态与精细结构，导致这一争议持续50年未决。
毕国强教授团队通过创新技术手段，首次实现了对囊泡释放过程的“动态定格”。研究显示，囊泡释放并非简单的“全融合”或“亲吻-逃逸”，而是经历三阶段动态过程：
“亲吻”阶段：囊泡与突触前膜形成纳米级融合孔，释放神经递质；
“收缩”阶段：囊泡迅速收缩为表面积减半的小囊泡，为后续回收提供结构基础；
“逃逸/融合”阶段：大部分囊泡以“逃逸”方式回收至细胞内，少数发生“全融合”。
“中间收缩阶段是关键，”毕国强解释道，“它既保证了递质的高效释放，又通过囊泡膜的快速回收维持了突触传递的高保真性，这可能是大脑实现复杂信息处理的微观基础。”
技术突破：毫秒级“光控冷冻”定格生命瞬间
为攻克这一难题，团队联合国内外多个实验室，开发了毫秒级时间分辨原位冷冻电镜技术。该技术创新性地将光遗传学刺激与快速冷冻方法结合：
光遗传学触发：在神经元中表达光敏蛋白，通过激光精准激发动作电位，触发囊泡释放；
毫秒级冷冻定格：载有样品的电镜载网在设定时间（4毫秒至300毫秒）内快速落入液态乙烷等冷冻剂，将细胞瞬间固定；
三维结构解析：利用冷冻电镜技术获取上千套高分辨率图像，重建囊泡释放各阶段的三维结构。
“这一技术相当于用‘高速摄像机’拍摄生命活动的‘分子电影’，”团队成员介绍，“传统冷冻电镜只能捕捉静态画面，而我们通过精确控制光照与冷冻的时间间隔，首次实现了对动态过程的分阶段捕获。”
从基础研究到临床应用：为脑疾病治疗提供新靶点
该成果不仅揭示了大脑信息传递的基本规律，更为相关脑疾病的机理研究开辟了新路径。例如，阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病均与突触功能异常密切相关，而囊泡释放机制的紊乱可能是其核心诱因之一。
“如果我们能通过调控囊泡释放的‘收缩’或‘逃逸’阶段，或许可以修复突触传递的缺陷，”毕国强表示，“这为开发新型脑疾病治疗手段提供了潜在靶点。”
此外，团队研发的时间分辨冷冻电镜技术具有普适性，可推广至病毒入侵、细胞分泌、免疫反应等其他快速生命过程的研究，为细胞生物学开辟了新的技术范式。
国际学术界高度评价：开启神经科学新篇章
《科学》杂志审稿人评价该研究“解决了神经科学领域最根本的问题之一”，“三阶段模型将彻底改变我们对突触传递的理解”。美国斯坦福大学神经科学家托马斯·苏德霍夫（Thomas Südhof，2013年诺贝尔生理学或医学奖得主）指出：“这项研究通过技术创新揭示了突触传递的动态本质，是神经科学领域的里程碑式成果。”
中国科学技术大学校长包信和表示：“毕国强教授团队的工作体现了‘十年磨一剑’的科学精神，是我国基础研究厚积薄发的典型案例。学校将持续支持前沿交叉学科研究，为解决人类健康重大问题贡献中国智慧。”
结语
从毫秒级的“光控冷冻”到纳米级的“分子电影”，中国科大团队用15年坚守破解了神经科学50年的谜题。这一成果不仅揭示了大脑高效传递信息的“微观密码”，更彰显了我国在尖端生命科学领域的原始创新能力。随着技术的推广与应用，人类对脑疾病的认知与干预或将迎来新的突破。
