突觸囊泡是一種位于神經(jīng)元軸突末梢的特殊細(xì)胞器，內(nèi)部充滿了神經(jīng)遞質(zhì)分子（如乙酰膽堿、谷氨酸等）。當(dāng)神經(jīng)沖動(dòng)到達(dá)軸突末梢時(shí)，突觸囊泡與細(xì)胞膜融合，并釋放出神經(jīng)遞質(zhì)分子到突觸間隙。這些神經(jīng)遞質(zhì)分子可以與后續(xù)的神經(jīng)元細(xì)胞膜上的受體結(jié)合，產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)傳遞。突觸囊泡功能的正常與否很關(guān)鍵，因?yàn)樵S多神經(jīng)系統(tǒng)疾病都受到神經(jīng)遞質(zhì)分子的異常影響。

突觸囊泡積累谷氨酸有兩個(gè)主要參與者，通過囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體VGLUT和囊泡質(zhì)子泵的示意圖，以及生理細(xì)胞質(zhì)谷氨酸和天冬氨酸濃度下谷氨酸積累的模型預(yù)測(cè)可以詳細(xì)了解到。

在大腦中，神經(jīng)元通過神經(jīng)遞質(zhì)進(jìn)行交流，神經(jīng)遞質(zhì)通過結(jié)合和激活特定的受體來觸發(fā)下游神經(jīng)元的電信號(hào)。神經(jīng)遞質(zhì)通過突觸囊泡融合釋放，突觸囊泡中含有大量的神經(jīng)遞質(zhì)。

科學(xué)家研究了突觸囊泡是如何積累神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸的，并建立了一個(gè)描述這些過程的突觸囊泡的數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。

我們大腦獨(dú)特的計(jì)算能力是基于神經(jīng)元之間快速和高頻的交流。高頻突觸傳遞需要突觸囊泡的不斷再生。因此，未成熟的突觸囊泡從質(zhì)膜外翻，由專門的神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體填充。

囊泡最初含有與細(xì)胞外空間相同的鹽溶液，含有高濃度的氯(Cl-)和鈉(Na+)。對(duì)于谷氨酸能突觸囊泡，必須去除氯離子才能有效地使谷氨酸囊泡富集，谷氨酸囊泡也帶負(fù)電荷。這兩項(xiàng)任務(wù)都是由同一種蛋白質(zhì)完成的，即水皰性谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。科學(xué)家們使用電生理學(xué)的方法來詳細(xì)研究這是如何發(fā)生的。

他們可以證明囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體不僅運(yùn)輸谷氨酸，而且實(shí)際上運(yùn)輸所有被測(cè)試的陰離子。然而，谷氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制與其他陰離子不同:每個(gè)谷氨酸分子交換一個(gè)質(zhì)子。這種轉(zhuǎn)運(yùn)是緩慢的，但允許谷氨酸逆其濃度梯度運(yùn)輸，從而在突觸囊泡中產(chǎn)生高濃度。

天冬氨酸和其他大陰離子傳輸緩慢，但不耦合到質(zhì)子梯度。氯離子通過離子孔的擴(kuò)散速度比谷氨酸快300倍。所有的過程都受腔膜側(cè)的pH值和膜電壓的調(diào)節(jié)。它們?cè)谥行詐H值下不活躍，需要電壓才能變得活躍。

突觸囊泡形成后，pH值為中性。質(zhì)子泵的酸化激活了轉(zhuǎn)運(yùn)體，允許Cl-離子快速出口和有效的囊泡去極化。這為質(zhì)子-谷氨酸交換創(chuàng)造了最佳條件。由于這個(gè)原因，只有谷氨酸，而不是非常相似的天冬氨酸，在囊泡內(nèi)積累。南佛羅里達(dá)大學(xué)的Ghanim Ullah教授建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，正確地描述了突觸囊泡中谷氨酸積累的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

這些結(jié)果為大腦功能的分子基礎(chǔ)提供了重要的新見解。它們也可能有助于開發(fā)新的治療概念，如中風(fēng)或某些神經(jīng)退行性疾病，其中細(xì)胞外谷氨酸濃度增加導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。