突触是神经元之间通过交换化学信号进行交流的重要枢纽，科学家们绘制了突触最详细的三维图像之一。这些纳米级模型将帮助科学家更好地理解和研究亨廷顿氏病和精神分裂症等神经退行性疾病。

透视三维模型，显示轴突（红色）、中等脊髓运动神经元（绿色）和星形胶质细胞汇聚在突触处（黄色）。资料来源：罗切斯特大学和哥本哈根大学神经医学转化中心

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这项新研究发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上，由罗切斯特大学和哥本哈根大学神经医学转化中心联合主任、医学博士 Steve Goldman 领导的团队撰写。这些发现代表了一项重大的技术成就，使研究人员能够以以前无法达到的详细程度研究汇聚在单个突触的不同细胞。

"从文献中了解突触的结构是一回事，但亲眼看到单个细胞之间相互作用的精确几何形状又是另一回事，"转化神经医学中心研究副教授、本研究的共同作者阿卜杜拉蒂夫-本拉伊斯博士说。"测量这些极小环境的能力是一个年轻的领域，有可能促进我们对突触功能受到干扰的一些神经退行性疾病和神经精神疾病的了解"。

研究人员利用这项新技术将健康小鼠的大脑与携带导致亨廷顿症的突变基因的小鼠的大脑进行了比较。戈德曼实验室之前的研究表明，功能失调的星形胶质细胞在这种疾病中起着关键作用。星形胶质细胞是大脑中被称为胶质细胞的支持细胞家族的成员，有助于维持突触处适当的化学环境。

研究人员重点研究了涉及中刺运动神经元的突触，这些细胞的逐渐丧失是亨廷顿氏病的特征之一。研究人员首先要找出隐藏在三个不同细胞纠结中的突触，这三个细胞分别是：来自远处神经元的突触前轴突；其目标--突触后中棘运动神经元；以及邻近星形胶质细胞的纤维过程。

为此，研究人员利用病毒为轴突、运动神经元和星形胶质细胞分别赋予荧光标签。然后，他们取出大脑，通过多光子显微镜对感兴趣的区域进行成像，并使用一种名为红外烙印的技术，利用激光在脑组织中创建参考点，以便研究人员随后重新定位感兴趣的细胞。

研究小组随后使用哥本哈根大学的串行块面扫描电子显微镜对脑组织进行了检查。该设备使用钻石刀对脑组织的超薄切片进行连续切除和成像，从而创建出标记细胞及其在突触处相互作用的三维纳米级模型。

"这些模型揭示了星形胶质细胞及其伴侣突触之间的几何和结构关系，这一点非常重要，因为这些细胞必须以特定的方式在突触处相互作用，"该研究的第一作者、神经医学转化中心高级助理卡洛斯-贝尼特斯-比利亚努埃瓦（Carlos Benitez Villanueva）博士说。"这种方法使我们有能力测量和描述突触环境的几何形状，并将其作为神经胶质疾病的一种功能来进行测量和描述。"

在健康小鼠的大脑中，研究小组观察到，星形胶质细胞过程与圆盘状突触周围的空间接触并将其完全包围，形成了紧密的结合。相比之下，亨廷顿氏症小鼠的星形胶质细胞在投资或封存突触方面并不那么有效，留下了很大的空隙。这种结构缺陷使得钾和谷氨酸--调节细胞间通讯的化学物质从突触中渗漏出来，从而可能破坏正常的细胞间通讯。

星形胶质细胞功能障碍与其他疾病有关，包括精神分裂症、肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆症。研究人员认为，这项技术可以大大提高我们对这些疾病确切结构基础的认识。他们特别指出，这项技术可用于评估细胞置换策略治疗这些疾病的效果，即用健康的神经胶质细胞置换患病的神经胶质细胞。