一项新研究的发现可能推动阻断或打开此类信号通道新药物的开发，以治疗癫痫和一些智力障碍等多种情况。
为了了解大脑细胞如何交换化学信号，科学家表示，他们成功地使用一种高度专业化的显微镜捕捉到最常见的信号分子谷氨酸如何打开通道并允许大量带电粒子进入的更精确细节。这一发现源于约翰霍普金斯医学院研究人员主导的研究，可能会推进阻断或打开这种信号通道的新药物的开发，以治疗癫痫和一些智力障碍等多种情况。
关于这一实验的报告由国家卫生研究院资助，并与休斯顿德州大学健康科学中心的科学家合作，发表于3月26日的期刊自然。
“神经元是大脑的细胞基础，而体验我们的环境和学习的能力依赖于神经元之间的[化学]通信，”约翰霍普金斯大学医学院生物物理学和生物物理化学助理教授爱德华·图梅博士（Edward Twomey）说。
科学家们早已知道，负责神经元间通信的主要分子是神经递质谷氨酸，这种分子在神经元之间的空间中丰富存在。它在神经元上的着陆点是一个称为AMPA受体的通道，与谷氨酸相互作用，然后像孔一样吸收带电粒子。带电粒子的入流和流出产生电信号，从而形成神经元之间的通信。
为了弄清AMPA受体微小运动的细节（在单个原子的水平），研究人员使用一种高能显微镜在通信过程中的特定步骤中成像这些通道。在这项研究中，科学家们使用了在约翰霍普金斯大学医学院设施中的冷冻电子显微镜（cryo-EM）。
通常，科学家们发现研究冷却的细胞样本更容易，这种状态提供了一个稳定的环境。但在正常体温下，图梅的团队发现AMPA受体和谷氨酸的活动增加，为在冷冻电子显微镜图像中捕捉这一过程提供了更多机会。
为此，科学家们从实验室培养的人胚胎细胞中纯化了AMPA受体，这些细胞在神经科学研究中被广泛用于生产此类蛋白质。然后，他们将受体加热到体温（37摄氏度或98.6华氏度），再暴露于谷氨酸中。在此之后，受体立即被快速冷冻，并用冷冻电子显微镜分析，以获取与主要信号分子谷氨酸结合的AMPA受体的快照。
在收集了超过一百万张冷冻电子显微镜图像后，团队发现谷氨酸分子就像一把钥匙，可以打开通道的门，使其更广泛地打开。这是通过AMPA受体像贝壳一样的结构围绕谷氨酸关闭，从而拉开下面的通道。
图梅以往的研究表明，用于治疗癫痫的药物如perampanel，充当AMPA受体的门挡，以限制通道的开启，并减少已知在癫痫患者脑细胞中发生的活动量。
图梅表示，这些发现可以用于开发以不同方式结合AMPA受体的新的药物，这些药物可以打开或关闭大脑细胞的信号通道。
“随着每一个新发现，我们正在了解使大脑功能得以实现的每个构建块，”图梅说。
参与本项工作的其他科学家有来自约翰霍普金斯大学的阿尼什·库马尔·蒙达尔（Anish Kumar Mondal）和来自德州大学健康科学中心的埃莉萨·卡里洛（Elisa Carrillo）和瓦桑西·贾亚拉曼（Vasanthi Jayaraman）。
本研究的经费来源于国家卫生研究院（R35GM154904，R35GM122528）、谢尔学者计划和戴安娜·海利斯·亨利医学研究基金会。
