Исследовательская команда под руководством профессора Кристиана Розенмунда из Charite – Universitatsmedizin Berlin впервые получила микроскопические изображения, запечатлевшие момент высвобождения нейромедиаторов в синаптической щели.

С помощью оптогенетически модифицированных нейронов мышей, стимулируемых вспышкой света, учёные смогли запустить процесс секреции нейромедиаторов и мгновенно заморозить клетки в жидком этане при температуре -180 °C через 1–2 миллисекунды после светового импульса. «Мгновенная заморозка» позволила визуализировать структуры с помощью криоэлектронной микроскопии.

Анализ изображений показал, что слияние синаптических пузырьков начинается с образования точечного соединения, которое затем расширяется в пору, через которую нейромедиаторы попадают в синаптическую щель. Кроме того, большинство сливающихся пузырьков оказались связаны тонкими филаментами как минимум с одним другим пузырьком, что, по мнению авторов, обеспечивает более длительную передачу сигналов.

a — Электрическая стимуляция и прижизненная съёмка сенсора глутамата iGluSnFR3 при температуре, близкой к физиологической: слева показано состояние до стимуляции, справа — после неё (масштаб: обзор 20 мкм, увеличенные фрагменты 10 мкм). b — Максимальные проекции изображений нейронов без стимуляции, после оптогенетической стимуляции и после стимуляции в присутствии тетродотоксина (TTX), блокирующего нейронную активность (масштаб: верхние изображения 20 мкм, нижние 5 мкм). c–e — Количественный анализ флуоресценции iGluSnFR3 в отдельных аксонх: суммарная интенсивность (c), средняя интенсивность (d) и доля пикселей с высокой интенсивностью выше 70 условных единиц (e); после стимуляции сигнал возрастает, а при добавлении TTX этот эффект подавляется; пунктирные линии показывают медиану, точечные — 25-й и 75-й перцентили; различия статистически значимы (d: p < 0,001, KWS = 15,12; e: p < 0,001, KWS = 38,16). f — Корреляционная крио-конфокальная микроскопия и крио-электронная томография стимулированной сетки: слева общий вид четырёх ячеек сетки (50 мкм), справа — увеличенный участок с синаптическими бутонами (500 нм). f' — Совмещение сигнала iGluSnFR3 с реконструированным томографическим срезом синапса (200 нм). g–g" — Томографический срез (g), наложение изображений (g') и сегментация (g") предполагаемой закрытой поры слияния в синапсе (розовая стрелка; масштаб 100 нм). Источник: Kroll, J., Kravcenko, U., Sadeghi, M. et al. Nat Commun 16, 11131 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67291-6

«До настоящего времени никто не знал точных этапов слияния синаптических пузырьков с клеточной мембраной», – отмечает доктор Яна Кролль, главный автор исследования, работающая в Max Delbruck Center. Разработанная технология позволила впервые наблюдать синапсы в действии, не нарушая их функционирование.

Понимание деталей процесса слияния синаптических пузырьков, происходящего миллионы раз в минуту в мозге человека, имеет важное клиническое значение. Мутации в белках, участвующих в этом процессе, часто обнаруживаются у людей с эпилепсией и другими синаптическими расстройствами. «Если мы сможем выяснить точную роль этих белков, будет легче разрабатывать целенаправленные методы лечения этих так называемых синаптопатий», – объясняет Розенмунд.

Кролль планирует повторить эксперименты с использованием человеческих нейронов, полученных из стволовых клеток, чтобы лучше понять различия в механизмах синаптической передачи между мышами и людьми.