是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

人是靠腦子活著的,這話一點都不假。我們日常生活中的各種活動,包括吃飯、睡覺、運動、思考、說話,都離不開神經遞質傳遞。神經遞質的傳遞依靠大腦內的神經元來實現。人類活動的本質,即大腦中神經元之間的交流活動。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

突觸

神經元之間的交流,使用的一種結構叫做突觸。什麼是突觸?突觸就是神經元之間發生對話的地方。一個神經元說,另一個神經元聽。對話的信息是神經遞質(下圖中的黃色點),包裹在囊泡(下圖中的紅色小球)中。說話的神經元叫做突觸前神經元,傾聽的神經元叫做突觸後神經元。突觸前神經元將信息釋放到兩個神經元之間,突觸後神經元通過自己的受體接收到信號。由於釋放的神經遞質是化學物質,比如多巴胺、五羥色胺、肽類等,這種突觸也叫做化學突觸。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

突觸

在化學突觸中,神經元的交流已經達到了一種高度特化的狀態。有些神經元在小聲地“竊竊私語”,有些神經元卻在費力地“高聲吶喊”。突觸“喊”得越響,傳遞的信息就越強烈,需要釋放的囊泡也就越多。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

"竊竊私語"只需要幾百個突觸囊泡就夠了,而“高聲吶喊”則需要上百萬個突觸囊泡的參與。如果是一個典型的突觸結構,在靜息狀態時,少部分的囊泡會附著在突觸前膜的“活動區”,剩下大部分的囊泡會駐留在相鄰的地方,離“活動區”比較遠。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

少量囊泡聚集在活動區,大部分囊泡距離活動區較遠

除了少量囊泡附著在突觸前膜的“活動區”以外,大部分囊泡在電鏡下看起來幾乎沒有差別。但是,所謂“眼見不一定為實”,幾十年來的科學研究發現,儘管看起來相同,但這些囊泡卻有著不同的特徵。

囊泡的非均一性

在1995年,位於美國紐約的Greengard實驗室發現,在七鰓鰻的神經元中,大部分的囊泡表達一個蛋白Synapsin,而小部分囊泡不表達這個蛋白。如果把Synapsin看成抗原,我們知道,加入Synapsin的抗體,就會發生抗原-抗體沉澱反應從而將表達Synapsin的囊泡去除掉。於是,他們將Synapsin的抗體注射到突觸前,從而去掉大部分的囊泡,而另外一小部分囊泡不受影響。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

注射Synapsin抗體能夠去掉大部分、剩餘一小部分囊泡

研究發現,去掉大部分囊泡後,高頻電刺激(18赫茲)記錄到的突觸後反應顯著減小,這就說明,當細胞接受高頻率的刺激時,會用到表達Synapsin蛋白的這群囊泡。

換句話說,受到高頻刺激的細胞想要“高聲吶喊”,然而,由於沒有充足的囊泡,細胞“喊”的聲音不夠響亮,後面的細胞也就聽不見多少聲音。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

注射Synapsin的抗體去掉大部分囊泡,影響高頻刺激的反應

與高頻刺激不同的是,去掉大部分囊泡後,低頻電刺激(0.2赫茲)記錄到的突觸後反應不變。這說明,當細胞接受低頻刺激時,剩餘的小部分囊泡就足夠了,不需要用到表達Synapsin蛋白的這群囊泡。

也就是說,接受低頻刺激的細胞只需要“竊竊私語”一番,剩餘的少量聚集在活動區的囊泡就已足夠,後面的細胞能夠聽到完整的信息,無需動用大批量的囊泡。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

注射Synapsin的抗體去掉大部分囊泡,不影響低頻刺激的反應

結合生理功能和分子機制,科學家將這些看起來相同的囊泡分成了多種類別,稱為“庫”。

類似不同的“倉庫”儲存著不同的囊泡,科學家們給所謂的“倉庫”起了多種不同的名字,讓人感覺本就沒有研究清楚的所謂囊泡“庫”的概念,顯得更加撲朔迷離。

三個囊泡倉庫

為了簡單起見,我們介紹三類囊泡“庫”,分別是可釋放庫、回收庫和儲備庫。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

三類囊泡庫

“可釋放庫”,一刺激立刻就能釋放,釋放時間小於1秒。這個囊泡庫駐留在“活動區”,雖然只佔總囊泡量的~1%,但是能夠迅速應對低頻刺激。像戰爭中的衝鋒隊,迅速衝殺向前。

“回收庫”,釋放時間是幾秒的樣子,佔總囊泡量的~10-15%。“回收庫”可以通過胞吞的方式回收囊泡,從而進行囊泡庫的補充。此外,“回收庫”也可以補充囊泡到“可釋放庫”。有人曾用青蛙的神經肌肉接頭做實驗,發現如果將“回收庫”的囊泡完全消耗掉,突觸就會動用“儲備庫”來釋放囊泡。同樣,在果蠅的神經肌肉接頭中,有人通過基因突變的方式,抑制“回收庫”的功能,使其不能釋放。在這種情況下,突觸也會動用“儲備庫”來釋放囊泡。

“儲備庫”,反應慢,釋放時間幾十秒甚至幾分鐘,能夠應對長時間持續刺激,佔總囊泡的~80-90%。一般的生理刺激基本不會觸發“儲備庫”。“儲備庫”像是聚集在廣場的群眾,高聲吶喊,聲勢浩大,但一般情況下不太會出現。目前對如何觸發“儲備庫”的研究仍需進一步的探索。

囊泡分子標籤

傳統觀點是將囊泡的功能歸因於它們在突觸活動區周圍的分佈情況。換句話講,囊泡本身沒有太大差別,只不過看它們是否有機會進入“活動區”,來決定能否釋放遞質。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

但是,隨著研究的進行,新的模型認為,囊泡分類更重要的是依據其分子特徵上的差別。因此,在突觸前膜的“活動區”,帶有不同分子標籤的囊泡各顯神通,影響不同的釋放方式。囊泡的釋放方式也就並非簡單的一種,而是包括自發釋放和刺激釋放,刺激釋放又包括刺激後的同步釋放和非同步釋放。對釋放方式的機制研究在該領域內仍然進行的如火如荼。

是竊竊私語?還是高聲吶喊?——突觸囊泡庫

不同的釋放方式下,囊泡上表達的蛋白(如v-SNARE複合體)不同。例如,表達經典的Syb2的囊泡介導刺激後的同步釋放,而表達VAMP4的囊泡介導刺激後的非同步釋放,表達Vti1a或VAMP7的囊泡介導自發釋放。由於囊泡自身所帶的標籤(蛋白分子)不同,它們發揮功能時能夠結合的合作伙伴也必然有所不同。因此,用分子特徵來分類,更能代表不同囊泡的功能特徵。

總結

突觸囊泡是神經元釋放神經遞質的主要載體,能夠調控神經元之間的交流方式。或喃喃細語,或大喊大叫,細胞通過動用不同類群的囊泡庫,達到語言交流的目的。

刺激到來時,“可釋放庫”能夠即刻釋放囊泡,“回收庫”反應較慢,“儲備庫”基本不太會對正常的生理刺激產生反應。用囊泡上面表達的分子特徵,能夠更好的分類囊泡,研究其在參與自發或非自發突觸活動中的功能。

囊泡釋放後,細胞還需要將失去的囊泡回收回來,不同囊泡庫的回收機制也是該領域研究的熱點。


分享到:


相關文章: