人腦包含大約860億個神經元和600萬億個突觸，它們在神經元之間交換信號，幫助我們控制大腦的各種功能，包括認知、情感和記憶。有趣的是，突觸的數量隨著年齡的增長或由于阿爾茨海默氏癥等疾病而減少，因此對突觸的研究引起了廣泛的關注。然而，實時觀察突觸結構的動態存在局限性。

1 月 9 日，韓國科學技術院生物科學系 Won Do Heo 教授、約翰·霍普金斯大學醫學院 Hyung-Bae Kwon 教授和基礎科學研究所 (IBS) Sangkyu Lee 教授領導的聯合研究小組透露，他們開發出了世界上第一個能夠實時觀察突觸形成、消失和改變的技術。

Heo教授的團隊將二聚化依賴性熒光蛋白(ddFP)與突觸結合，以便實時觀察突觸在神經元之間建立連接的過程。該團隊通過將“突觸”和“快照”結合起來，將這項技術命名為SynapShot，并成功跟蹤觀察了突觸的實時形成和消亡過程及其動態變化。

< 圖 1。為了觀察動態變化的突觸，表達了二聚化依賴性熒光蛋白 (ddFP)，以觀察突觸形成時的熒光信號，因為 ddFP 通過與突觸前和突觸后末端的可逆結合實現熒光檢測。>

通過一個聯合研究項目，IBS Heo教授和Sangkyu Lee教授領導的團隊共同設計了帶有綠色和紅色熒光的SynapShot，并且能夠輕松地區分連接兩個不同神經元的突觸。此外，通過結合可以利用光控制分子功能的光遺傳學技術，研究小組能夠觀察突觸的變化，同時利用光誘導神經元的某些功能。

通過與約翰·霍普金斯大學醫學院 Hyung-Bae Kwon 教授領導的團隊進行更多聯合研究，Heo 教授團隊在活體小鼠身上誘導了多種情況，包括視覺辨別訓練、運動和麻醉，并使用 SynapShot 觀察每種情況下的實時突觸。觀察結果表明，每個突觸都可以相當快速且動態地變化。這是首次在活體哺乳動物中觀察到突觸變化。

< 圖2. 通過培養實驗大鼠的神經元并表達SynapShot，通過突觸傳感器(SynapShot)的熒光變化觀察到的顯微照片。通過 SynapShot 的熒光來測量突觸前和突觸后末端接觸時產生的突觸變化以及在一段時間后消失的突觸。>

許教授表示：“我們課題組與國內外研究團隊合作開發了SynapShot，為直接實時觀察突觸的快速動態變化提供了可能，這在以前是很難做到的。我們期望這項技術能夠徹底改變神經學領域的研究方法，并為照亮腦科學的未來發揮重要作用。”

這項研究由來自約翰·霍普金斯大學的共同第一作者 Seungkyu Son(博士生)、Jinsu Lee(博士生)和 Kanghoon Jung 博士進行，于 1 月 8 日發表在《自然方法》在線版上標題為“體內活細胞突觸結構動力學的實時可視化”，并將在二月卷中印刷。

< 圖 3. 同時使用綠色-SynapShot 和紅色-SynapShot 來區分和觀察具有一個后端子和不同前端子的突觸。>

<圖4.二聚體依賴性熒光蛋白(ddFP)以綠色熒光蛋白和紅色熒光蛋白的形式存在，并且可以與藍光激活光遺傳學技術一起應用。使用光遺傳學技術通過藍光激活原肌球蛋白受體激酶 B (TrkB) 后，使用 red-SynapShot 觀察到通過腦源性神經營養因子信號加強突觸連接。>

<圖5。顯微照片顯示了通過使用體內成像技術(例如雙光子顯微鏡)以及細胞水平的視覺訓練來訓練的小鼠視覺皮層中突觸的實時變化。>

這項研究得到了 KAIST 的中型研究基金和奇點項目以及 IBS 的支持。