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        寧波材料所在細胞電荷傳遞顯微機制研究方面取得進展
        作者:,日期:2018-09-28

          電學相關性質在很多生物過程尤其是神經系統的信號傳遞中發揮著重要的作用。神經細胞是神經系統結構和功能的基本單位,其電學特性對神經系統的功能至關重要。如何在納米尺度上直接觀察神經細胞中的電信號及其傳遞特性是神經科學的一個重要問題。

          近日,中國科學院寧波材料技術與工程研究所沈彩副研究員與丹麥奧胡斯大學Flemming Besenbacher教授、寧波大學醫學院崔巍、徐淑君副教授等科研人員合作,利用靜電力顯微鏡(Electrostatic Force Microscopy,EFM)研究了海馬神經細胞中軸突、樹突、興奮性突觸和抑制性突觸中電荷的傳遞,并進行了定量分析。該項工作利用EFM中加電壓的針尖和樣品接觸,從而將電荷注入樣品中,之后用EFM記錄電荷的分布,得到樣品中電荷的傳遞性質,如圖1所示。

          電荷注入實驗分別在軸突和樹突上進行。注入電荷后兩者的EFM相圖上都有明顯的變化,表明電荷確實被注入而且可以沿著軸突和樹突傳遞。通過定量計算可得知軸突和樹突上電荷密度分別為2.5×105 C/μm2和3.0×105 C/μm2,經過Aβ(一種可以破壞突觸棘的試劑)作用后,軸突和樹突上的電荷密度都出現了大幅度下降,表明了突觸棘在電荷傳遞以及神經信號傳遞中發揮著關鍵作用。同時定量計算得到軸突和樹突中電荷的遷移率分別為3.2×10-6 cm2·V-1·s-1和1.3×10-5 cm2·V-1·s-1,這比并五苯中的電荷遷移率要高3到4個數量級,表明神經元的突起是非常良好的電荷傳遞介質,這對于其行使神經系統的功能有重要意義。同時表明比起軸突,樹突的電荷傳遞性能更好(如圖2)。

          研究者同時利用該方法研究了興奮性和抑制性突觸中電荷的傳遞。注入電荷后,兩種突觸的EFM相圖都有明顯的變化,表明電荷確實被注入而且可以在其中傳遞。用谷氨酸(一種常用的興奮性神經遞質)作用興奮性突觸后,其EFM相圖信號大幅增加。用γ-氨基丁酸(一種常用的抑制性神經遞質)作用抑制性突觸后,其EFM相圖信號大幅降低。這表明用相應的神經遞質可以引起相應的興奮性或抑制性突觸后電位的產生。

          該項工作在納米水平上直觀且定量研究了軸突和樹突上電荷的傳遞,揭示了突觸棘在電荷傳遞和神經信號傳遞中的關鍵作用;研究了興奮性和抑制性突觸中的電荷傳遞,揭示了不同神經遞質在不同突觸后電位的產生中的關鍵作用。該工作表明EFM是研究生物樣品中電荷傳遞的有力工具和手段。研究結果發表在國際顯微鏡學權威期刊Ultramicroscopy上(doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.09.015)。

         

        圖1 利用EFM向樣品注入電荷的示意圖

        圖2 靜電力顯微鏡分別研究電荷在軸突(左圖)和樹突(右圖)中的傳遞

          (新能源所 趙偉棟)

         

         

         

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