为了提高反应速度,大脑不惜“卸磨杀驴”

大脑的反应速度影响社交过程中的个人魅力。虽然人们能在短时间内回答一道简单的问题,但你的反应速度是1秒还是2秒,会带来截然不同的效果。

试想,当有人出了一道脑筋急转弯,第一个给出答案的人往往要比那些反应迟钝的人显得更有魅力。同样,迅速反应能力也能让人在竞技游戏中有更出色的表现。

为了提高反应速度,大脑不惜“卸磨杀驴”

神经递质释放的速度

大脑的反应速度,从根本上讲,依赖于神经信号传递的速度。在复杂的神经网络中,神经元之间形成突触结构,相互传递信息。信息传递的第一步,就是聚集在突触的囊泡与突触前膜融合,释放神经递质。因此,大脑的反应速度,首先取决于神经递质的释放速度。

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突触的结构包括突触前膜、突触间隙、突触后膜。当信息传递时,突触前神经元中囊泡与突触前膜融合,释放神经递质到突触间隙中,神经递质结合到突触后膜的受体上发挥作用,从而引起突触后神经元的反应。

通常,积累在突触前膜的囊泡数目足够多。递质释放的限速步骤是,聚集的囊泡与突触前膜依次融合的速度。这一过程,其实并不像表面上看起来那么简单。

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聚集的囊泡与突触前膜依次融合

在突触前膜,并不是所有的位置都可以融合囊泡,释放递质。突触前膜的空间可划分为两类,一类是能够和囊泡融合的活动区(active zone),另一类是围绕在活动区周围的活动旁区(periactive zone)。虽然有很多囊泡在突触前膜积累,但是,只有少数的囊泡能够直接触碰活动区,释放递质。

因此,神经元想要快速释放神经递质,就要保证一定时间内,尽可能多的囊泡接触活动区。这就要求,囊泡与活动区接触并释放囊泡后,迅速让位给后继的囊泡。

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大量囊泡(黄色)聚集在突触前膜,直接接触突触活动区的囊泡(蓝色)能够释放神经递质

囊泡释放过程需要复杂的分子机器,一旦释放完成,这些分子机器就需要迅速清理掉。否则,会阻挡后续囊泡的结合,从而拖慢递质释放速率。

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囊泡在活动区释放

囊泡释放过程的分子机器,主要是拉近囊泡与细胞膜的SNARE复合体。简单来说,位于囊泡上的v-SNARE(Synaptobrevin)和位于细胞膜上的t-SNARE(Syntaxin, SNAP25)形成SNARE复合体。该复合体像拉链一样,将囊泡拉近质膜,使其与质膜融合,并随后打开融合孔,释放神经递质。(详细过程请看: 。)

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一个囊泡释放完毕,参与其中的SNARE复合体必须快速清理掉。如此,下一个囊泡才能靠近活动区。

那么,SNARE复合体这头拉磨的驴,在完事后是如何被清理掉的呢?

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“卸磨杀驴”——清除影响递质释放速度的瓶颈

SNARE复合体在行使功能时,称为反式复合体(trans-SNARE complex)。反式复合体通过拉链式的变构,能够把囊泡拽到细胞膜上,完成膜融合以及递质释放。膜融合之后的SNARE复合体结构变顺式,称为顺式复合体(cis-SNARE complex)。顺式复合体没有功能,需要被解装配成零件,以回收再利用。

为了提高反应速度,大脑不惜“卸磨杀驴”

研究发现,能够解装配无功能的顺式SNARE复合体的物质,是一种名为NSF的ATP酶。NSF能够和无功能的顺式SNARE复合体结合,打开其四螺旋束结构,使其解甲归田,以便在之后的轮回里继续“拉磨”。这也类似于回收垃圾,循环再利用。

为了提高反应速度,大脑不惜“卸磨杀驴”

正如清洁工清理垃圾需要体力,NSF清理无功能的SNARE复合体也需要能量ATP。幸运的是,NSF本身就是一种ATP酶,可以转变ATP,利用其释放的能量,就可以解开无功能的SNARE复合体。

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NSF清理无功能的SNARE复合体的过程

实验发现,如果干扰NSF的活性,会影响递质的释放速度。同样,如果用遗传的方法完全去掉NSF,无功能的顺式SNARE复合体会出现在新生囊泡上,这说明完成使命的顺式SNARE复合体在缺失NSF的情况下,无法被彻底清理。

另一个清洁工——交叉蛋白(Intersectin)

除了ATP酶NSF之外,负责胞吞的蛋白也会顺便清除囊泡释放后留下的“垃圾”。例如,最近2020年1月发表在《神经元》杂志上的一篇文章发现,交叉蛋白(Intersectin)也能够结合并清除失去功能的顺式SNARE复合体,介导快速的神经递质释放。


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交叉蛋白能够结合SNARE复合体的v-SNARE

交叉蛋白本是一个胞吞过程中的支架蛋白。交叉蛋白栖身囊泡表面,其特殊的结构,就像建筑工地上的一个钢筋架子,为胞吞过程中的多种功能蛋白提供了落脚的位置(SH3结构域)。交叉蛋白在胞吞中的作用极其关键。

而就是这一参与胞吞的交叉蛋白,竟然也能够直接通过自己的SH3结构域,和胞吐中无功能的顺式SNARE复合体结合,并清理之。并且,交叉蛋白在胞吞中的清理功能独立于它在胞吞中的支架功能。

实验表明,交叉蛋白的缺失会影响海马神经元中的快速递质释放。而破坏交叉蛋白与SNARE复合体的结合,能够引起递质释放的短时程抑制。这些实验表明,在突触活动中,交叉蛋白在清除SNARE复合体,加快递质释放速度中起着重要作用。

总结

大脑的反应速度依赖于神经递质的释放速度。快速的递质释放需要快速清除失去功能的分子机器,以保证后续囊泡的迅速补充。这卸磨杀驴过程的刽子手,包括一种ATP酶NSF,以及在胞吞中发挥作用的交叉蛋白。

当然,实际上参与这一过程的蛋白远不止这些,有些已经被发现,有些还未被发现。这些蛋白质共同作用,清道夫般扫除了下一个囊泡结合的障碍,微观上加速了囊泡的释放,进而在宏观上加快了大脑的反应速度。


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