寧波材料所在細(xì)胞電荷傳遞顯微機(jī)制研究方面取得進(jìn)展
電學(xué)相關(guān)性質(zhì)在很多生物過(guò)程尤其是神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)傳遞中發(fā)揮著重要的作用。神經(jīng)細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，其電學(xué)特性對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。如何在納米尺度上直接觀察神經(jīng)細(xì)胞中的電信號(hào)及其傳遞特性是神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)重要問(wèn)題。
近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所沈彩副研究員與丹麥奧胡斯大學(xué)Flemming Besenbacher教授、寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)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(jīng)細(xì)胞中軸突、樹(shù)突、興奮性突觸和抑制性突觸中電荷的傳遞，并進(jìn)行了定量分析。該項(xiàng)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(zhì)，如圖1所示。
電荷注入實(shí)驗(yàn)分別在軸突和樹(shù)突上進(jìn)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(shí)被注入而且可以沿著軸突和樹(shù)突傳遞。通過(guò)定量計(jì)算可得知軸突和樹(shù)突上電荷密度分別為2.5×105 C/μm2和3.0×105 C/μm2，經(jīng)過(guò)Aβ（一種可以破壞突觸棘的試劑）作用后，軸突和樹(shù)突上的電荷密度都出現(xiàn)了大幅度下降，表明了突觸棘在電荷傳遞以及神經(jīng)信號(hào)傳遞中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。同時(shí)定量計(jì)算得到軸突和樹(shù)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(gè)數(shù)量級(jí)，表明神經(jīng)元的突起是非常良好的電荷傳遞介質(zhì)，這對(duì)于其行使神經(jīng)系統(tǒng)的功能有重要意義。同時(shí)表明比起軸突，樹(shù)突的電荷傳遞性能更好（如圖2）。研究者同時(shí)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(shí)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(jīng)遞質(zhì)）作用興奮性突觸后，其EFM相圖信號(hào)大幅增加。用γ-氨基丁酸（一種常用的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)）作用抑制性突觸后，其EFM相圖信號(hào)大幅降低。這表明用相應(yīng)的神經(jīng)遞質(zhì)可以引起相應(yīng)的興奮性或抑制性突觸后電位的產(chǎn)生。
該項(xiàng)工作在納米水平上直觀且定量研究了軸突和樹(shù)突上電荷的傳遞，揭示了突觸棘在電荷傳遞和神經(jīng)信號(hào)傳遞中的關(guān)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(jīng)遞質(zhì)在不同突觸后電位的產(chǎn)生中的關(guān)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(jié)果發(fā)表在國(guó)際顯微鏡學(xué)權(quán)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(shù)突（右圖）中的傳遞
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