新研究揭示了独特的快速突触如何防止我们跌倒
使我们能够走路、跳舞和转头而不会头晕或失去平衡的感觉器官包含专门的突触，它们处理信号的速度比人体任何其他器官都快。
来自多个机构的一小群神经科学家、物理学家和工程师经过 15 年多的探索，终于解开了突触的机制，为改善眩晕和平衡障碍治疗的研究铺平了道路。每 3 个 40 岁以上的人中就有 1 个。
国家科学院院刊上的这项新研究描述了“前庭毛细胞-花萼突触”的工作原理，它存在于最内耳的器官中，可以感知头部位置和不同方向的运动。
“没有人完全理解这种突触为何如此之快，但我们已经揭开了这个谜团，”莱斯大学生物工程师 Rob Raphael 说，他与芝加哥大学的 Ruth Anne Eatock、芝加哥伊利诺伊大学的 Ruth Anne Eatock 共同撰写了这项研究Anna Lysakowski，现任莱斯大学研究生 Aravind Chenrayan Govindaraju 和前莱斯大学研究生 Imran Quraishi，现任耶鲁大学助理教授。
突触是神经元可以将信息传递给彼此和身体其他部位的生物连接点。人体包含数百万亿个突触，几乎所有突触都通过量子传输共享信息，这是一种通过神经递质传递化学信号的形式，需要至少 0.5 毫秒才能通过突触发送信息。
先前的实验表明，一种更快的“非量子”传输形式发生在前庭毛细胞-花萼突触中，即运动感应前庭毛细胞与直接连接到大脑的传入神经元相遇的点。新的研究解释了这些突触如何运作得如此之快。
在每个细胞中，一个信号接收神经元围绕着它的伙伴毛细胞的末端，有一个叫做花萼的大杯状结构。花萼和毛细胞仍然被一个微小的缝隙或裂缝隔开，缝隙的尺寸仅为十亿分之几米。
“前庭花萼是大自然的奇迹，”Lysakowski 说。“它的大杯状结构在整个神经系统中是独一无二的。结构和功能密切相关，自然界显然投入了大量的能量来产生这种结构。我们一直试图弄清楚它长期的特殊目的。”
根据毛细胞及其相关花萼中表达的离子通道，作者创建了第一个能够定量描述信号跨纳米级间隙的非量子传输的计算模型。模拟非量子传输使团队能够研究整个突触间隙发生的情况，前庭突触比其他突触更广泛。
拉斐尔说：“事实证明，这种机制非常微妙，动态相互作用会产生快速和缓慢的非量子传输形式。” “为了理解这一切，我们根据详细的解剖学和生理学制作了突触的生物物理模型。”
该模型模拟花萼对机械和电刺激的电压响应，跟踪钾离子通过低压激活离子通道从突触前毛细胞到突触后花萼的流动。
拉斐尔说，该模型准确地预测了突触间隙中钾的变化，提供了有关电位变化的关键新见解，这些电位变化是非量子传输的快速组成部分;解释了非量子传输如何单独触发突触后神经元的动作电位;并展示了传输速度的快慢如何取决于毛细胞上的花萼形成的紧密而广泛的杯状结构。
Eatock 说，“关键能力是能够预测裂缝内每个位置的钾水平和电势。这使团队能够说明非量子传输的大小和速度取决于花萼的新结构。该研究展示了工程方法阐明基本生物学机制的力量，这是生物工程研究的重要但有时被忽视的目标之一。”
Quraishi 于 2000 年代中期开始构建模型并与 Eatock 合作，当时他是 Raphael 研究小组的一名研究生，当时她在贝勒医学院任教，距离休斯敦德克萨斯医疗中心的赖斯仅几个街区。
他的模型的第一个版本捕获了突触的重要特征，但他说“我们对构成该模型的特定钾通道和其他成分的了解太有限，无法声称它是完全准确的。”
从那时起，Eatock、Lysakowski 和其他人在花萼中发现了离子通道，这改变了科学家对离子电流如何流过毛细胞和花萼膜的理解。
Qurashi 说：“未完成的工作一直压在我身上，”当博士生 Govindaraju 来到这里时，他感到既欣慰又兴奋。应用物理学专业的学生，加入了拉斐尔的实验室，并于 2018 年恢复了该模型的研究。
“当我开始这个项目时，更多的数据支持非量子传输，”Govindaraju 说。“但机制，尤其是快速传输的机制，尚不清楚。建立模型让我们更好地了解不同离子通道的相互作用和目的，花萼结构以及突触间隙中钾和电势的动态变化。”
拉斐尔说：“我最初的资助之一是开发内耳离子传输模型。实现复杂生理过程的统一数学模型总是令人满意的。在过去的 30 年里——自从最初观察非量子传输——科学家们想知道，“为什么这个突触这么快?” 以及“传输速度是否与独特的花萼结构有关?” 我们已经提供了这两个问题的答案。”
他说，花萼的结构和功能之间的联系“是进化如何推动形态特化的一个例子。可以提出一个令人信服的论点，即一旦动物从海里出现并开始在陆地上移动、在树上摆动和飞翔，对前庭系统的要求越来越高，以快速告知大脑头部在空间中的位置。此时花萼出现了。
拉斐尔说，该模型为更深入地探索前庭突触中的信息处理打开了大门，包括研究量子和非量子传输之间的独特相互作用。
他说，对于研究神经系统其他部分的电传输的研究人员来说，该模型也可能是一个强大的工具，他希望它能帮助那些设计前庭植入物的人，神经假体装置可以使失去平衡的人恢复功能。
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