我們說某事是“火箭科學”時,意味著它極其複雜。但或許“神經科學”會是更貼切的比喻——我們對大腦瞭解得越多,新的問題就越多。例如,一個看似簡單的問題:腦細胞如何交流?我們知道它們使用化學物質互相傳遞資訊。但神經元究竟如何釋放這些神經遞質,然後準備好發出又一個快速連續的資訊呢?
這一操作發生在極小的尺度上——科學家實際上無法觀察到這個過程,因此他們必須依靠不太直接的測量方法來確定發生了什麼。而且由於這些資料通常可以用多種方式解釋,關於神經遞質釋放的爭議已經持續了幾十年。實驗室技術的最新進展加劇了這場辯論,最終理解這種基本細胞機制的希望使賭注變得很高。答案至關重要,因為我們大腦中的化學物質與從思想和情感,到精神疾病、成癮和疾病的一切都息息相關。
我們已經對神經遞質的旅程瞭解了很多。以多巴胺為例:在每個神經元內,這種化學物質都包含在囊泡中,囊泡是小的氣球狀囊袋,在細胞內運輸物質。當囊泡接收到電訊號時,它會將多巴胺帶到細胞壁,並將其釋放到突觸中,即神經元之間的空間。在多巴胺的情況下,訊號可能是你的味蕾在接收到一塊巧克力蛋糕後產生的電脈衝。訊號導致囊泡釋放其多巴胺負荷,多巴胺在突觸中漂浮,直到被其他神經元檢測到,這些神經元接收到資訊“這很愉悅!”
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但是,囊泡在釋放多巴胺後會發生什麼呢?這就是爭論的焦點。在囊泡數量有限的情況下,細胞如何快速響應隨後的脈衝?科學家們提出了兩種主要的、對立的囊泡回收機制,很像回收玻璃瓶的兩種主要選擇。快速的方法是保持瓶子完整,只需重新裝滿即可。較慢的方法包括完全熔化瓶子並製造新的瓶子。在細胞中,最大的問題是,囊泡是否曾經以快速的方式回收?也就是說,它們能否短暫地接觸細胞壁,釋放其內容物,然後在保持其形狀的同時脫離?或者,囊泡是否總是完全被細胞壁吸收,然後在稍後重新形成?
“親吻和奔跑”
當科學家們最初開始分離和研究囊泡時,人們認為這些儲存容器總是與細胞壁完全融合,被分解,然後在一種細胞瓶工廠中重新組裝。1961年,研究人員發現囊泡上覆蓋著一種蛋白質。1973年,生物物理學家約翰·E·豪瑟(現就職於華盛頓大學醫學院)和美國國立衛生研究院的托馬斯·S·里斯發現,這種蛋白質是囊泡重建的重要參與者。兩年後,該蛋白質被純化並命名為網格蛋白。網格蛋白輔助組裝現在被認為是囊泡融合的經典模型,但事實證明它相當緩慢。研究人員可以透過監測細胞壁儲存電荷的能力(或其電容)來測量囊泡回收所需的時間。當囊泡坍縮到細胞壁中時,細胞的電容會增加;當囊泡重新構成並再次脫離時,電容會恢復正常——整個過程大約需要30秒。
在神經系統的背景下,半分鐘似乎是永恆的,神經系統必須每秒對數十個刺激做出反應。1973年,生物學家布魯諾·切卡雷利首次提出了一種快速回收方法,稱為“親吻和奔跑”,以解釋青蛙的快速遞質釋放和突觸的快速放電。“親吻和奔跑”似乎也解釋了電子顯微鏡捕獲的靜態影像,這些影像顯示囊泡位於細胞壁上,只有一個狹窄的通道通向突觸——囊泡似乎並沒有完全坍縮。多年來,更精密的實驗表明,“親吻和奔跑”至少解釋了一些(如果不是全部)囊泡回收事件。包括斯坦福大學的理查德·W·錢在內的許多神經科學家使用熒光染料來追蹤單個神經元中囊泡的運動。如果囊泡在解除安裝其內容物後完全坍縮,則染料預計會消散到突觸中。錢表明,只有一些熒游標記物分散了,這表明囊泡在釋放其貨物後仍然完好無損——這與“親吻和奔跑”情景相符。
但其他人使用這種和類似的染料技術發現了例外情況,他們懷疑“親吻和奔跑”的存在。威爾康奈爾醫學院的蒂莫西·A·瑞安認為,證據充其量是模稜兩可的:“資料可以用其他方式解釋,這些方式不一定暗示‘親吻和奔跑’。”他警告不要為了解釋對非常快速的神經元反應的觀察而發明一種機制。
然而,大多數研究人員開始接受兩種機制可能都存在。“囊泡可能在最終完全坍縮的過程中經歷‘親吻和奔跑’,”錢說。美國國立衛生研究院的吳玲崗最近測量了老鼠大腦聽覺處理中心的電活動,發現“親吻和奔跑”發生在 3% 到 17% 的回收事件中。“親吻和奔跑”懷疑論者瑞安指出,吳是第一個承認“親吻和奔跑”僅在少數事件中發生的“親吻和奔跑”支持者——錢說,這種解釋表明,爭論不再是關於“親吻和奔跑”是否存在。“反對者已經將目標從它是否存在轉移到它有多普遍。我們欣然接受他們含蓄的讓步,並願意辯論它有多重要,”錢說。
儘管大多數專家認為這場辯論不會很快結束,但他們都同意一件事——在試圖弄清囊泡回收細節的過程中,我們肯定會學到很多關於神經元工作方式的知識。準確地確定神經遞質是如何產生的,以及囊泡如何運輸和釋放它們,可能會為抑鬱症、帕金森病、自閉症和癲癇等多種與神經傳遞相關的疾病的新療法鋪平道路。而這種知識才是真正的目標。
