揭示線粒體的突觸前分布和輪廓

聽覺的能力依賴于神經(jīng)元以非常快的時間尺度不斷地傳遞信息。如此高的信息傳輸速度導(dǎo)致了強(qiáng)烈的精力需求。在我們的細(xì)胞內(nèi)，稱為線粒體的微觀發(fā)電廠提供了維持人體運(yùn)動的主要能量來源。線粒體在整個人體中起著至關(guān)重要的作用，而在大腦中它們起著至關(guān)重要的作用。提供促進(jìn)突觸傳遞(神經(jīng)元之間的信息傳遞)所需的大量能量。

在聽覺系統(tǒng)中，有一個巨大的突觸前突觸末端，稱為Held花萼，對雙耳聲音處理至關(guān)重要。在聽力發(fā)作之前，不成熟的花萼突觸不會以非常快的速率釋放神經(jīng)遞質(zhì)。但是一旦成熟，它們就可以可靠，迅速地釋放神經(jīng)遞質(zhì)來編碼聽覺信息。但是，線粒體如何支持成熟突觸的能量需求活動仍然未知。

在最近發(fā)表于《神經(jīng)科學(xué)雜志》上的一項研究中，來自MPFI和愛荷華州CCOM大學(xué)的科學(xué)家對Held發(fā)育中和成熟的花萼中線粒體的突觸前分布和特征提供了前所未有的見識。

“我的實驗室研究了突觸如何使神經(jīng)回路傳遞各種信息。特別是，我們對理解突觸機(jī)制非常感興趣，這些機(jī)制可以實現(xiàn)準(zhǔn)確識別和感知聲音信息及其對聽覺缺陷的影響所需的快速聽覺信號。”小塞繆爾·楊(Samuel Young Jr.)博士，曾任MPFI研究小組組長，現(xiàn)為愛荷華州CCOM大學(xué)解剖與細(xì)胞生物學(xué)系副教授。“雖然我們了解花萼如何進(jìn)行適當(dāng)聲音處理的一些一般原則，但許多尚不為人所知。因此，我們想了解突觸下水平是否存在線粒體變化。要回答我們的問題，我們需要專業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)知識。 MPFI的EM核心。

由于線粒體的體積相對較小，通常難以使用常規(guī)方法對其進(jìn)行分析，因此需要3D電子顯微鏡才能充分揭示其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，Young Lab創(chuàng)建了具有線粒體靶向過氧化物酶的線粒體APEX2的輔助依賴型腺病毒載體，并將其在Held小鼠花萼中表達(dá)。除此之外，MPFI EM團(tuán)隊還開發(fā)了通過3D電子顯微鏡檢測APEX2標(biāo)記的線粒體的方案，以對突觸前線粒體的體積和豐度進(jìn)行廣泛的分析。

MPFI的EM助理，該出版物的**作者Connon Thomas說：“我們**的挑戰(zhàn)是開發(fā)協(xié)議和工作流程，使我們能夠使用先進(jìn)的3D-EM技術(shù)對花萼中的線粒體進(jìn)行精細(xì)的成像。”“經(jīng)過廣泛的優(yōu)化，我們設(shè)計了兩種策略;**種使用串行塊面掃描電子顯微鏡或簡稱SBF-SEM，這是一種特殊的EM，可以讓我們生成大規(guī)模的3D圖像集，以便重建和分析末端內(nèi)的線粒體第二種策略是使用自動膠帶收集超薄切片機(jī)連續(xù)切片掃描電子顯微鏡(ATUM-ssSEM)，該技術(shù)可產(chǎn)生更高分辨率的圖像，從而更易于分析精細(xì)的亞突觸結(jié)構(gòu)”。

用SBF-SEM拍攝的圖像進(jìn)行3D重建顯示，成熟花萼及其周圍軸突中的線粒體體積明顯高于未成熟花萼中的線粒體體積。似乎線粒體在成熟花萼中選擇性富集，其體積比周圍的軸突高。該數(shù)據(jù)證實了這樣的想法，即在發(fā)育過程中增加的線粒體體積可以支持更活躍的成熟花萼的更高能量需求。

利用Young Lab開發(fā)的遺傳工具和MPFI EM Core開發(fā)的創(chuàng)新性新協(xié)議，他們的綜合專業(yè)知識已經(jīng)產(chǎn)生了在神經(jīng)科學(xué)研究中具有廣泛應(yīng)用的新穎方法。EM Core負(fù)責(zé)人Naomi Kamasawa博士說：“我們的EM Core與Young Lab之間的強(qiáng)有力合作對于這項工作的成功至關(guān)重要。”我們的合作將繼續(xù)并將無疑帶來令人振奮的新發(fā)展。”

Young解釋說：“為這項工作開發(fā)的新協(xié)議和應(yīng)用將廣泛應(yīng)用于結(jié)合遺傳操作和電子顯微鏡研究不同電路或不同大腦區(qū)域的研究。”