科学家发现大脑可塑性的基本规律

June 21, 2018, Picower Institute at MIT

在完整的大脑中(左)中用双光子显微镜成像它后用电子显微镜 (右) 重构的一个枝状突起和它的棘状突起刺。Credit: Mriganka Sur, et. al.

    我们的大脑是著名的灵活的或"可塑的", 因为神经元能通过与其它神经元构筑新的或更强的连接来做新的事情。但如果一些连接加强, 神经科学家已经推断了神经元必须最少的补偿它们变得不堪输入的重负。在一项新的科学杂志的研究中, 麻省理工学院的皮考尔学习和记忆研究所的研究人员首次展示了这种平衡是如何发生的: 当一个叫做突触的连接加强时,基于一个叫做Arc的关键蛋白质的行动相邻的突触立即减弱。

    资深作者姆里甘卡说他很兴奋但并不惊讶他的团队发现了一个在这样一个像大脑一样复杂系统的核心的简单的、基本的规则，其中1000亿个神经元每个都有数以千计的不断变化的突触。他把它比作为一个庞大的鱼群怎样能突然的集体的改变方向, 只要领头鱼转弯每一只其它的鱼服从跟随在它前面的鱼的简单的规则。

    麻省理工学院大脑和认知科学系和皮考尔研究所的神经学里拉牛顿教授苏尔·保罗说，"复杂系统的集体行为总是有简单的规则的，当一个突触起来时, 在50微米以内, 用一个定义良好的分子机制在其它突触的强度中有一个降低"。

    他说, 这一发现提供在神经元中一个突触增强和减弱结合来产生可塑性的解释。

多项操作

    虽然他们发现的规则是简单的, 但揭示它的实验不是的。随他们努力来激活小鼠视觉皮层中的可塑性然后跟踪突触怎样改变来使这种情况发生, 首席作者萨米埃尔波斯坦尼克和苏尔实验室的博士后研究员雅克-帕克坎完成了几个第一。

    在一个关键实验中, 他们通过改变一个神经元的 "接受域" 或它所响应的视觉场的块来唤起可塑性。神经元通过在它们的枝状树突的小棘状突起刺上的突触接受输入。为了改变一个神经元的接受域, 科学家们在这个神经元的相关枝状树突上精确的指定了这个棘状突起刺, 然后密切监测了它的突触随他们向这只小鼠在屏幕上的特定位置显示了一个不同于这个神经元的最初接受域的的目标的变化。每当这个目标在他们想要诱导的新的接受域位置时, 他们通过在老鼠的视觉皮层内闪烁蓝光来增强神经元的反应, 激发就像另一个神经元可能一样的额外活动。这个神经元已经被转基因被光的闪光激活, 一种叫做 "光基因学" 的技术。

在一只醒的老鼠中用双光子显微镜获得的有一起表示的红色荧光蛋白和绿色Arc蛋白标记的一种有圆突起或棘状突起刺的枝状突起(神经元的分支)。Credit: Sur, et. al.

    研究人员把这个做了一遍又一遍。由于光刺激与每一个小鼠视场新位置中的目标的出现相关, 这造成神经元来增强在这个棘状突起刺上的一个特定的突触, 编码新的接受域。

    埃尔波斯塔尼说，"我认为这是相当惊人的, 我们能够在完整的大脑重新编程单一的神经元并见证活体组织中的允许这些细胞通过突触可塑性来整合新功能的分子机制的多样性"。

    随着新的接受域的突触的增长, 研究人员可以在双光子显微镜下看到附近的突触也萎缩了。他们没有在缺乏光基因刺激的对照神经元实验中观察到这些变化。

    但后来他们进一步证实了他们的发现。因为突触是如此微小, 它们接近光显微镜分辨率的极限。因此在实验之后, 研究小组解剖了包含操控的和对照神经元的枝状突起的脑组织, 并将它们寄给瑞士理工联邦学院的联合作者。他们进行了一个专门化的、高分辨率的3 维电子显微镜成像, 确认在双光子显微镜下看到的结构差异是实在的。

    苏尔说，"这是在活体中成像后重建的最长的枝状突起," 他还指导麻省理工学院社会大脑的西蒙斯中心。

    当然, 用光的闪光重新编程一只老鼠的转基因的神经元是一种不自然的操作, 因此团队又做了另一个经典的 "单眼剥夺" 实验, 其中他们暂时关闭了一只老鼠的眼睛。当那发生时相关到闭合的眼睛神经元中的突触减弱而与仍然睁开眼睛相关的突触加强。然后当他们重新打开以前闭上的眼睛时, 这些突触又重新排列。他们也跟踪了这一行动, 并看到了随着突触的加强它们的立即近邻将削弱来补偿。

双光子成像的在一个行为的老鼠的完整大脑中一个枝状突起和它的棘状突起刺。红色荧光蛋白用于可视化枝状突起结构, 而单个棘状突起刺中的钙活性用一个绿色指示剂进行监测。在响应视觉刺激时可以观察到分支范围和棘状突起刺特定的信号。Credit: Sur, et. al.

解决Arc的秘密

    看到新的规则生效后, 研究人员仍然渴望来了解神经元是如何服从它的。他们用了一种化学标签来观察关键"AMPA"受体怎样在突触中变化的,看到了与AMPA受体表达相关联的突触扩大和增强和与更少AMPA受体表达相关的缩小和减弱。

     蛋白Arc调节AMPA受体的表达, 因此团队意识到他们必须跟踪Arc来充分了解正在发生的。苏尔说,问题是没有人曾经在一个活生生的、行为的动物的大脑这样做过。因此, 团队与京都大学医学院和东京大学的合著者取得了联系, 他们发明了一种可以这样做的化学标签。

    使用这种标记, 团队可以看到加强的突触被减弱的已经增富了Arc表达的突触包围。有减少了Arc量的突触能表达更多的AMPA感受器而在邻居棘状突起刺中增加的Arc造成了那些突触来表达更少的AMPA 受体。

    帕克坎说，"我们认为Arc保持了一个突触资源的平衡,如果有什么东西起来了, 一定会有什么东西下去的。这是Arc的主要作用"。

    苏尔说这个研究因此解决了一个Arc的谜: 之前没有人知道过为什么Arc在枝状突起经历树突可塑性中似乎被上调, 即便它来削弱突触的作用, 而现在这个答案是明确的。加强突触增加Arc来减弱它们的邻居。

    苏尔补充说, 这条规则有助于解释学习和记忆怎样可能在个体神经元水平上起作用的, 因为它显示一个神经元怎样调整到另一个的反复的模拟的。

    进一步探索: 反复刺激扩大枝状突起

    更多信息: "活体内视觉皮层神经元的局部协调的突触可塑性" 科学 (2018)。. science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aao0862 

    参考期刊: Science

    由麻省理工学院皮考尔研究所(Picower Institute at MIT)提供

https://medicalxpress.com/news/2018-06-scientists-fundamental-brain-plasticity.html