近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(以下簡稱深圳先進(jìn)院)雙聘教授畢國強(qiáng)和劉北明團(tuán)隊(duì)，與美國加州大學(xué)洛杉磯分校教授周正洪合作，通過發(fā)展前沿冷凍電鏡斷層三維成像技術(shù)，解析了首個(gè)完整腦神經(jīng)突觸在分子水平的高精度三維結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—神經(jīng)科學(xué)》。

大腦中每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞通過上千個(gè)微小的“突觸”與其它神經(jīng)細(xì)胞相互連接。這些突觸是大腦行為、意識、學(xué)習(xí)與記憶等功能的最基本結(jié)構(gòu)與功能單元，同時(shí)也是多種腦疾病發(fā)生的起源地。精確解析突觸中的蛋白分子結(jié)構(gòu)和組織架構(gòu)及其在神經(jīng)活動或異常過程中的變化是解密大腦奧妙的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是腦科學(xué)與腦疾病研究中最基礎(chǔ)的核心研究方向之一。

深圳先進(jìn)院腦認(rèn)知與腦疾病認(rèn)知研究所和深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院腦信息中心是一支腦科學(xué)交叉研究團(tuán)隊(duì)。該中心副研究員陶長路說：“突觸在光學(xué)顯微鏡下通常只有幾個(gè)像素大小，但是實(shí)際上里面的分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜和精密，目前在很大程度上仍舊是一個(gè)‘黑匣子’。”

畢國強(qiáng)介紹：“中心主要通過發(fā)展和應(yīng)用冷凍電鏡斷層三維重構(gòu)顯微成像、高通量全腦三維光學(xué)顯微成像、高時(shí)空精度的電生理與電化學(xué)檢測和智能計(jì)算等技術(shù)，獲取和分析腦神經(jīng)系統(tǒng)精細(xì)結(jié)構(gòu)和活動的海量數(shù)據(jù)信息，揭示神經(jīng)系統(tǒng)信息處理的機(jī)制和原理，而這些基礎(chǔ)研究成果除了滿足人類的好奇心，可能會催生新一代人工智能和腦疾病診療技術(shù)。”

畢國強(qiáng)等與其合作團(tuán)隊(duì)首次利用冷凍電鏡解析了完整神經(jīng)突觸的三維結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了對中樞神經(jīng)系統(tǒng)中兩類最主要突觸——興奮性與抑制性突觸的精確區(qū)分以及結(jié)構(gòu)特征的定量化分析。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于過采樣與自動分類的冷凍電鏡斷層三維成像亞區(qū)域圖像處理方法，實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞斷層三維重構(gòu)圖像中無標(biāo)記和無模板依賴的蛋白質(zhì)自動識別和三維重構(gòu)分析?；谶@一方法，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對抑制性神經(jīng)突觸中受體的自動化辨別，并解析了其三維結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)研究成果首次利用冷凍電鏡斷層成像技術(shù)對受體蛋白進(jìn)行定位研究分析，為受體分子等蛋白質(zhì)的原位高分辨解析以及相應(yīng)藥物作用機(jī)理和開發(fā)研究奠定了基礎(chǔ)。(見習(xí)記者刁雯蕙通訊員桂運(yùn)安)