一个多世纪以来，神经科学家们都知道神经细胞可以通过一些小间隙实现细胞间的交流，这个过程就叫做突触传递，一个神经细胞携带的信息会通过神经递质传递到另一个细胞中，这些神经递质包括谷氨酸盐、多巴胺和血清素，其可以激活接收神经元上的受体来传输兴奋性或抑制性的信息。
近日，发表在国际杂志Nature上的一篇研究报告中，来自马里兰大学的研究者通过研究首次阐明了特殊结构可以帮助大脑细胞间进行沟通交流。突触是一种非常复杂的分子机器，同时其也非常小，仅有百万分之一英寸那么小的尺寸，大脑中有数百万亿个神经突触，每一个突触都可以精确调节并且在细胞间传输信号。
为了阐明其在亚显微比例下的分子特性，研究人员利用单分子成像的技术就可以追踪单个突触（甚至是单个细胞）内部单一蛋白分子的运动和位置信息，利用这种方法，研究者就发现了神经传递过程中的一种精确模式，随后他们又观察了培养中大鼠的突触结构。研究者Thomas Blanpied说道，我们发现了以前此前并未观察到的东西，这或许将开辟一片新的研究领域，很多年来我们在突触中发现了多种类型的分子，但这并不足以帮助我们理解这些分子组装的机制，以及其如何发挥作用，如今利用但分子成像技术对多种关键蛋白进行绘图，我们就揭示了突触内部的核心架构。
这项研究中，研究者描述了一种特殊的结构，这或许就可以帮助我们解释为何突触可以如此有效地工作，同时在疾病发生过程中为何突触更加容易受损；在每个突触分子中，关键蛋白都可以沿着细胞间的缝隙进行精确组装；实际上神经元要比我们想象之中更加“发奋地”发挥作用，两种不同神经元的蛋白可以达到相当高地精度，从而形成两个细胞间的柱状拉伸结构，当然这也可以优化信息传递的能力。
理解神经元突触的核心架构或可帮助揭示大脑细胞间的交流机制，研究者认为本文研究可以帮助改善对突触结构的深入理解，从而更好地理解多种大脑疾病的发病原因，比如抑郁症、精神分裂症和阿尔兹海默氏症等；当然对于开发新型潜在的个体化疗法或许也带来了相当大的帮助。
最后Blanpied表示，他们下一步将深入分析是否在特定的疾病中大脑细胞间突触的结构会发生改变，首先他们将对患精神分裂症的小鼠模型进行研究，研究者期待后期取得更多的研究成果。
A trans-synaptic nanocolumn aligns neurotransmitter release to receptors
Ai-Hui Tang, Haiwen Chen, Tuo P. Li, Sarah R. Metzbower, Harold D. MacGillavry & Thomas A. Blanpied
Synaptic transmission is maintained by a delicate, sub-synaptic molecular architecture, and even mild alterations in synapse structure drive functional changes during experience-dependent plasticity and pathological disorders1, 2. Key to this architecture is how the distribution of presynaptic vesicle fusion sites corresponds to the position of receptors in the postsynaptic density. However, while it has long been recognized that this spatial relationship modulates synaptic strength3, it has not been precisely described, owing in part to the limited resolution of light microscopy. Using localization microscopy, here we show that key proteins mediating vesicle priming and fusion are mutually co-enriched within nanometre-scale subregions of the presynaptic active zone. Through development of a new method to map vesicle fusion positions within single synapses in cultured rat hippocampal neurons, we find that action-potential-evoked fusion is guided by this protein gradient and occurs preferentially in confined areas with higher local density of Rab3-interacting molecule (RIM) within the active zones. These presynaptic RIM nanoclusters closely align with concentrated postsynaptic receptors and scaffolding proteins4, 5, 6, suggesting the existence of a trans-synaptic molecular ‘nanocolumn’. Thus, we propose that the nanoarchitecture of the active zone directs action-potential-evoked vesicle fusion to occur preferentially at sites directly opposing postsynaptic receptor–scaffold ensembles. Remarkably, NMDA receptor activation triggered distinct phases of plasticity in which postsynaptic reorganization was followed by trans-synaptic nanoscale realignment. This architecture suggests a simple organizational principle of central nervous system synapses to maitain and modulate synaptic efficiency. | 
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