突觸是神經元之間通過交換化學信號進行交流的重要樞紐，科學家們繪製了突觸最詳細的三維圖像之一。這些納米級模型將幫助科學家更好地理解和研究亨廷頓氏病和精神分裂症等神經退行性疾病。

透視三維模型，顯示軸突（紅色）、中等脊髓運動神經元（綠色）和星形膠質細胞匯聚在突觸處（黃色）。資料來源：羅切斯特大學和哥本哈根大學神經醫學轉化中心

這項新研究發表在《美國科學院院刊》（PNAS）上，由羅切斯特大學和哥本哈根大學神經醫學轉化中心聯合主任、醫學博士Steve Goldman 領導的團隊撰寫。這些發現代表了一項重大的技術成就，使研究人員能夠以以前無法達到的詳細程度研究匯聚在單個突觸的不同細胞。

“從文獻中了解突觸的結構是一回事，但親眼看到單個細胞之間相互作用的精確幾何形狀又是另一回事，”轉化神經醫學中心研究副教授、本研究的共同作者阿卜杜拉蒂夫-本拉伊斯博士說。”測量這些極小環境的能力是一個年輕的領域，有可能促進我們對突觸功能受到干擾的一些神經退行性疾病和神經精神疾病的了解”。

研究人員利用這項新技術將健康小鼠的大腦與攜帶導致亨廷頓症的突變基因的小鼠的大腦進行了比較。戈德曼實驗室之前的研究表明，功能失調的星形膠質細胞在這種疾病中起著關鍵作用。星形膠質細胞是大腦中被稱為膠質細胞的支持細胞家族的成員，有助於維持突觸處適當的化學環境。

研究人員重點研究了涉及中刺運動神經元的突觸，這些細胞的逐漸喪失是亨廷頓氏病的特徵之一。研究人員首先要找出隱藏在三個不同細胞糾結中的突觸，這三個細胞分別是：來自遠處神經元的突觸前軸突；其目標–突觸後中棘運動神經元；以及鄰近星形膠質細胞的纖維過程。

為此，研究人員利用病毒為軸突、運動神經元和星形膠質細胞分別賦予熒光標籤。然後，他們取出大腦，通過多光子顯微鏡對感興趣的區域進行成像，並使用一種名為紅外烙印的技術，利用激光在腦組織中創建參考點，以便研究人員隨後重新定位感興趣的細胞。

研究小組隨後使用哥本哈根大學的串行塊面掃描電子顯微鏡對腦組織進行了檢查。該設備使用鑽石刀對腦組織的超薄切片進行連續切除和成像，從而創建出標記細胞及其在突觸處相互作用的三維納米級模型。

“這些模型揭示了星形膠質細胞及其伴侶突觸之間的幾何和結構關係，這一點非常重要，因為這些細胞必須以特定的方式在突觸處相互作用，”該研究的第一作者、神經醫學轉化中心高級助理卡洛斯-貝尼特斯-比利亞努埃瓦（Carlos Benitez Villanueva）博士說。”這種方法使我們有能力測量和描述突觸環境的幾何形狀，並將其作為神經膠質疾病的一種功能來進行測量和描述。”

在健康小鼠的大腦中，研究小組觀察到，星形膠質細胞過程與圓盤狀突觸周圍的空間接觸並將其完全包圍，形成了緊密的結合。相比之下，亨廷頓氏症小鼠的星形膠質細胞在投資或封存突觸方面並不那麼有效，留下了很大的空隙。這種結構缺陷使得鉀和谷氨酸–調節細胞間通訊的化學物質從突觸中滲漏出來，從而可能破壞正常的細胞間通訊。

星形膠質細胞功能障礙與其他疾病有關，包括精神分裂症、肌萎縮側索硬化症和額顳葉癡呆症。研究人員認為，這項技術可以大大提高我們對這些疾病確切結構基礎的認識。他們特別指出，這項技術可用於評估細胞置換策略治療這些疾病的效果，即用健康的神經膠質細胞置換患病的神經膠質細胞。