我们如何思考、感受、记忆或移动？这一切都依赖于大脑中化学信号的传递，这些信号由称为囊泡的分子容器携带和释放。在一项新研究中，研究人员对囊泡循环进行了前所未有的详细建模，揭示了我们大脑功能的新信息。论文描述了一个先进的计算模型，考虑了囊泡、它们的细胞环境、活动和相互作用的复杂相互作用，以预测囊泡在不同条件下的行为。
如何思考、感受、记忆或移动？这些过程涉及突触传递，在此过程中化学信号通过称为囊泡的分子容器在神经细胞之间传递。现在，研究人员成功地对囊泡循环进行了前所未有的详细建模，揭示了我们大脑功能的新信息。
一项发表在《科学进展》上的联合研究，涉及日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）和德国哥廷根大学医学中心（UMG）的研究人员，应用了一个独特的计算建模系统，该系统考虑了囊泡、其细胞环境、活动和相互作用之间复杂的相互作用，以创建囊泡如何支持突触传递的真实图景。他们的模型预测了以往无法通过实验测试的突触功能参数，为神经科学研究开辟了新的途径。
“最近的技术进步使实验科学家能够捕获越来越多的数据。现在的挑战在于整合和解释各种不同类型的数据，以理解大脑的复杂性，”OIST计算神经科学部门负责人、该研究的共同作者埃里克·德·施特特教授说。“我们的模型提供了比以往任何系统更好的分子和空间细节，并且更快。同时也可以转移到不同的细胞和场景。这是朝着完全细胞和完全组织模拟的科学愿望迈出的一大步。”
“我们已经研究突触超过20年，但一些功能步骤在实验上很难测试。在与我们的日本同事经过几年的实验和计算工作微调后，我们现在有了一个可以测试新假设的模型，特别是在神经疾病的背景下，”UMG神经与感觉生理学系主任、该研究的共同作者西尔维奥·里佐利教授补充道。
囊泡循环是什么？
囊泡循环描述了在突触（神经细胞之间的连接）释放神经递质（化学信号）的步骤，以便在细胞之间传递信息。包含神经递质的囊泡移动并锚定在膜上，准备融合并释放其内容物，然后被回收。该过程由大脑内的电刺激触发，并由复杂的信号级联驱动。
根据情况，不同数量的神经递质需要在不同时间段内释放。为了实现受控和持续的突触传递，只有10%到20%的囊泡在任何时候都是随时可用的（这些被称为回收池）。大多数囊泡则处于储备池中，固定在一个簇中。
这个过程的许多细节，包括囊泡如何在储备池和回收池之间移动，知之甚少。
在高刺激频率下囊泡回收的机制
在他们的出版物中，研究人员为海马体突触中的囊泡回收过程提供了新的见解。通过他们的模型，他们旨在确认囊泡在实验观察到的发射频率下的行为，并探索在更高频率下的行为。
他们发现囊泡循环能够在高刺激频率下运行，远超自然界中通常发现的水平。他们还能够确定这一强大循环的一些原因，识别了关键蛋白质synapsin-1和tomosyn-1在调节囊泡从聚集的储备池中释放中的作用。
研究人员指出，囊泡循环的效率依赖于分子系留。通过将一些囊泡物理连接到膜上，可以使囊泡快速对接和释放神经递质。
这些重要发现使得对囊泡回收的认识更加深入，这一过程涉及许多不同疾病。“例如，在肉毒中毒或一些肌无力综合症中，神经递质的释放受到阻碍。针对抑郁症和其他主要神经疾病的治疗通常也聚焦于突触传递，”德·施特特教授解释道。“随着我们扩展模型，潜在的应用非常广泛，无论是在开发新疗法还是加深我们对大脑如何工作的基本理解方面。”
