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2024年10月28日下午，受北大-清华生命科学联合中心陈良怡研究员邀请，法国波尔多大学（University of Bordeaux）教授Daniel Choquet在生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为“Linking glutamatergic synapse dynamic nanoscale organization, function, plasticity and memory mechanisms”的精彩报告。

陈良怡研究员介绍Daniel Choquet教授

Daniel Choquet教授做报告与交流

谷氨酸能突触的动态组织和可塑性是理解大脑信息处理和记忆机制的核心问题之一。Daniel Choquet教授的研究重点在于揭示离子型AMPA谷氨酸受体（AMPAR）在突触内的动态分布及其在突触传递和神经可塑性中的作用。传统观念认为AMPAR在突触内保持相对稳定，但Choquet团队通过单分子超分辨成像和跟踪技术发现，AMPAR并非固定不变，而是不断通过侧向扩散进入和退出突触密度区域。此外，AMPAR的分布并不均匀，其一部分在突触中高度集中，形成纳米结构，而另一部分则分布在突触外。AMPAR在突触后密度（PSD）和突触外部位点之间的动态交换与神经活动密切相关，AMPAR从突触外部位点向突触位点的活动依赖性扩散直接参与了长时程突触可塑性的建立。

Choquet教授的团队还发现，AMPAR的构象状态会显著影响其移动性，其中去敏化状态的受体移动性更强，这一特性可能解释了突触后AMPAR如何通过自身运动调节短时程突触可塑性。进一步的实验揭示，AMPAR的表面扩散不仅对突触增强有重要作用，还对频率依赖性的信息处理产生深远影响。这些发现表明，AMPAR在纳米尺度上的动态调控是突触传递和神经网络适应性的重要基础。通过控制AMPAR的分布和流动性，神经系统可以灵活地调整信息处理和记忆功能，这对理解神经可塑性、学习及记忆形成具有重要意义。未来的研究可能揭示AMPAR在神经系统疾病中的作用，并为治疗突触功能障碍提供新的策略。

图一，突触处的 AMPAR 数量由多个库之间的动态平衡维持

AMPAR在突触内外的动态分布

超分辨成像数据展示了AMPAR在PSD区域高度集中形成的纳米结构，这些结构的直径在87纳米左右，每个纳米域约有 25 个 AMPA 受体。通过结合高分辨率的单分子超分辨成像和跟踪技术，研究团队发现AMPAR在突触内并非稳定存在，而是会通过侧向扩散持续进入和退出突触密度区域。AMPAR的一部分高度集中在仅数十纳米的纳米结构中，而另一部分则分散在突触外。这一发现改变了人们对AMPAR行为的传统认识，即这些受体并非仅限于突触，而是通过动态扩散在突触内外来回移动。

图二，AMPA受体（AMPAR）在突触中的纳米尺度分布¹

图三展示了突触前和突触后对齐的“跨突触纳米柱”结构，这些纳米柱包含一系列蛋白质（如RIM、Bassoon、AMPA受体、PSD95等），它们在突触前活性区（AZ）和突触后密度区域（PSD）之间形成垂直结构，确保了突触信号传递的准确和高效。左图展示了突触中的蛋白质和受体分布，显示出这些结构的复杂性。AMPA受体和NMDA受体分别在突触后密度区域（PSD）中占据特定位置：AMPA受体集中在PSD的中央，而NMDA受体则更靠近边缘。这种特定的排列有助于优化突触信号的传递路径和效率。

右图展示了AMPA受体和NMDA受体之间的空间关系。右上图2显示，AMPA受体与AMPA受体之间、以及AMPA受体与NMDA受体之间的距离分布，反映了突触内不同受体之间的精确组织。

此外，右下图的显微镜图像（b、c）和频率分布图（d）进一步验证了这些受体的纳米尺度分布。实验结果（如TAT-CN21处理对CaMKII的影响）表明，这些纳米柱结构不仅影响突触传递，还在突触可塑性及神经信号的精确调控中起着至关重要的作用。图中展示了AMPA和NMDA受体在突触中的分布，并通过距离图和电子显微镜图像进一步说明了受体的空间排列。纳米柱结构使得突触前后区域的受体和支架蛋白能够精确对齐，从而促进高效的突触传递和突触可塑性。

图三，“跨突触纳米柱”结构与突触前后的连接²

突触内关键区域间的纳米尺度结构分布

利用冷冻电子断层扫描揭示了突触囊泡及其支架复合物的纳米尺度结构。冷冻电镜照片展示了突触后密度（PSD）和突触活性区（AZ）的区域，蛋白质局部密度通过颜色编码（从0到80%）进行标注，反映出不同区域的蛋白质浓度。下图进一步分析了PSD和AZ之间的最近邻距离（NND）。左图显示了实际数据和随机模型的累积频率对比，右图显示了距离的频率分布。结果表明PSD簇与AZ簇之间存在特定的距离分布模式，揭示了突触信号传递的空间组织和精确度。这项研究有助于深入理解突触功能和结构之间的关系。

图四，突触内关键区域间的纳米尺度结构分布³

冷冻电子断层扫描展示突触囊泡及其支架复合物的纳米尺度结构

上图展示了利用金纳米颗粒（AuNP）对AMPAR进行标记的步骤，包括配体连接和聚乙二醇化。通过金颗粒的标记，中央和右侧的图像展示了在突触间隙中标记的AMPA受体的位置。图中标出的金颗粒显示了AMPA受体在突触前和突触后结构中的具体分布，反映了其在突触传递中的重要角色。这项研究进一步揭示了AMPAR在突触中的精确定位和功能。

图五，原位冷冻电子断层扫描（Cryo-ET）技术定位AMPA受体⁴

通过探索AMPAR的动态分布及其调控机制，Choquet教授的研究为理解突触可塑性和大脑信息处理提供了新的视角。这一领域的进一步研究可能为治疗神经退行性疾病或突触功能障碍提供新的策略。