神经系统,精准、高效的调节并支配人的各项生理活动,是生物体信息处理的中心。神经细胞之间的信息传递则主要通过突触前囊泡胞吐释放神经递质分子完成。因此对于囊泡胞吐过程的研究不仅有利于正确认识神经系统功能以及各项生命活动的基本规律,而且对于一些神经性疾病的研究与治疗具有重要意义。过去的三十年里,超微电极电化学方法因其快速、灵敏的特点在囊泡胞吐检测及其机制研究方面发挥了极大作用。受到电极尺寸的限制,传统的碳纤维微米电极只能采用“半人工突触”(semi-artificial synapse)检测模式将电极靠近单个细胞或神经元末端进行监测。然而真正的神经元胞间通讯快速的发生在极其微小(20～500nm)的突触间隙内,并且受到突触后的反馈调节。因此目前超微电极电化学方法无法探入到突触间隙内部研究胞吐动力学和靶细胞的调节机理。迄今,直接探测化学突触传输过程中突触间隙内神经递质胞吐及其精确动力学过程仍是一个很大的挑战,急需发展高性能的纳米探针以实现纳米级突触间隙内实时监测。另一方面,作为神经系统的基本单元,成熟的神经元高度分化,并通过轴突与相隔一定距离的其它神经元或靶细胞形成突触连接。然而传统的体外常规共培养模式并不能自发的引导轴突形成类似于体内的突触连接。最近发展的微流控芯片技术因其独特的优势,为神经细胞研究提供了新型的研究平台,可以很好地实现神经元轴突和胞体隔离,并在体外构建类似于体内的神经通讯网络。针对上述现状与挑战,我们在本课题组前期工作基础上,结合纳米电化学探针检测胞吐以及微流控芯片在细胞分析中的独特优势,开展了以下工作：1.采用实验室自行研制的碳纤维纳米电极(尖端直径100～200nm,长度1-2μm),将其探入神经元之间以及神经元与其靶细胞之间的突触间隙,建立了纳米级突触间隙内神经递质胞吐动力学实时探测新方法。结果发现神经元“活性区(active zones)"主要分布于突触间隙内部,且间隙内部囊泡分泌呈现复杂的动力学特征。2.利用靶细胞诱导神经元轴突生长,采用微流控芯片技术构建了类似体内的交感神经元一平滑肌细胞通讯网络,并采用纳米电化学探针分别检测了间隙内部递质分泌的安培信号及其诱导的突触后细胞电位信号。结果发现芯片共培养系统中信号检测概率更高,表明靶细胞诱导形成通讯网络的突触末梢具有更高的活性；平滑肌电生理的检测结果证明突触前细胞释放的神经递质可有效诱导平滑肌细胞突触后膜电位响应。该工作使得我们能够在接近体内的环境下实时测量神经信号传导过程,实现了神经信号传递过程中突触前神经递质胞吐释放以及突触后信号的实时获取,为神经信号传递研究提供了有力的方法学基础。3.基于上两章突触间隙内部的检测结果,我们对间隙内部囊泡胞吐动力学进行了探讨。通过对检测到的安培峰信号及其动力学参数进行较深入分析,并结合理论模拟方法。我们发现突触间隙内检测到的信号多为复杂的安培峰信号,且其具有独特的动力学特征。结果表明突触间隙内囊泡多以"kiss and run, K&R"模式胞吐释放神经递质,从而保证了突触囊泡以及神经递质的高效利用。这为处于争议的胞吐模式提供了积极参考,直接证明了突触囊泡的K&R胞吐模式。4.基于纳米电化学探针突触间隙实时监测方法,我们研究了影响神经递质释放的两个重要因素(钙离子和突触受体)对囊泡胞吐的调控行为。结果发现交感神经元释放去甲肾上腺素依赖于钙离子浓度,且钙离子浓度对胞吐的释放几率以及胞吐模式均有较大影响。同时交感神经元释放去甲肾上腺素受突触前受体调控,为“受体调控突触神经递质分泌”提供了直接证据。