▎藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)編輯 人們常說，小時(shí)候大腦的學(xué)習(xí)和記憶能力更強(qiáng)。看看嬰兒就知道，當(dāng)他們來到這個(gè)陌生的世界，每天都在接收大量的新信息，正在發(fā)育的大腦開足馬力，幫助他們了解身處的環(huán)境以及如何與環(huán)境相互作用。
今日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上線的一項(xiàng)新研究，指出了成年大腦也絕不缺少靈活學(xué)習(xí)新東西的潛力。這項(xiàng)研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，成年大腦中存在大量的“沉默突觸”。要看懂這項(xiàng)研究，我們需要先來了解下什么是沉默突觸。突觸是神經(jīng)細(xì)胞之間傳遞信息的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。神經(jīng)科學(xué)家過去在大腦中發(fā)現(xiàn)，有一類突觸雖然有突觸結(jié)構(gòu)但沒有信息傳遞的功能，因此它們被稱為沉默突觸。但沉默突觸可以在一定條件下轉(zhuǎn)變?yōu)橛泄δ艿耐挥|。這種轉(zhuǎn)變就引起了神經(jīng)科學(xué)家的極大興趣，因?yàn)樗梢宰鳛?/span>學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。幾十年來，沉默突觸被認(rèn)為只有在早期發(fā)育階段很豐富，在此期間它們介導(dǎo)了神經(jīng)環(huán)路的形成和完善，從而幫助大腦在生命早期學(xué)習(xí)新接收的海量信息。對小鼠的一些研究顯示，小鼠長到12天時(shí)（換算為人類的話，大約相當(dāng)于幾個(gè)月），沒受到刺激、未能成熟的沉默突觸就被消除了。也有一些神經(jīng)科學(xué)家曾經(jīng)提出，沉默突觸可能會(huì)持續(xù)到成年，幫助大腦形成新記憶。而這方面的證據(jù)主要來自動(dòng)物成癮的研究模型，也就是說大腦此時(shí)出現(xiàn)了學(xué)習(xí)異常的問題。
此次新研究中，麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家卻在正常小鼠的大腦中發(fā)現(xiàn)，成年大腦中仍然有多達(dá)數(shù)百萬的沉默突觸，約占成年大腦皮層所有突觸的30%。'這些沉默突觸正在尋找新的連接，當(dāng)重要的新信息出現(xiàn)時(shí)，相關(guān)神經(jīng)元之間的連接會(huì)得到加強(qiáng)?！闭撐牡谝蛔髡摺IT的博士研究生Dimitra Vardalaki指出，“這讓大腦可以創(chuàng)造新的記憶，又不會(huì)覆蓋已經(jīng)存儲(chǔ)于穩(wěn)定的成熟突觸中的重要記憶。”有趣的是，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)竟是“無心插柳柳成蔭”。研究負(fù)責(zé)人Mark Harnett教授起初在觀察小鼠大腦中的神經(jīng)元樹突。這些像樹杈一樣的分枝狀突起從細(xì)胞中延伸出來，接收不同部位輸入的信息。他和同事們發(fā)現(xiàn)，單個(gè)神經(jīng)元中的樹突可以根據(jù)它們所處的位置以不同方式處理輸入的信息。為了確認(rèn)樹突不同類型的輸入模式是否和它們表達(dá)的受體不同有關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)與化學(xué)工程專業(yè)的Kwanghun Chung教授合作，用他開發(fā)的一種新技術(shù)獲取樹突的超高分辨率圖像。這種技術(shù)被稱為eMAP（蛋白質(zhì)組表位保存放大分析），可以讓研究人員物理擴(kuò)大組織樣本，然后標(biāo)記樣本中想要觀察的特定蛋白質(zhì)。“我們首先注意到的是：到處都有絲狀偽足（filopodium）?！盚arnett教授說，“這超級(jí)奇怪，完全出乎意料?！?/span>顧名思義，絲狀偽足非常細(xì)小，因此使用傳統(tǒng)的成像技術(shù)很難看清細(xì)節(jié)，神經(jīng)科學(xué)家雖然對絲狀突起的存在并不陌生，但并不十分清楚它的功能。使用eMAP技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)此次進(jìn)一步對成年小鼠大腦的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行了觀察，在視皮層等腦區(qū)發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元連接處的絲狀偽足，并且數(shù)量比過去認(rèn)為的要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
▲利用新技術(shù)，在成年小鼠視皮層中觀察到錐體神經(jīng)元的樹突絲狀偽足（圖片來源：參考資料[1]）
更關(guān)鍵的是，他們在絲狀偽足上觀察到了NMDA受體，但缺乏AMPA受體。NMDA受體和AMPA受體都是離子型谷氨酸受體，負(fù)責(zé)結(jié)合中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要興奮性神經(jīng)信號(hào)分子谷氨酸。興奮性突觸傳遞信號(hào)需要NMDA受體和AMPA受體的合作，只有NMDA受體而沒有AMPA受體時(shí)，正是一種典型的沉默突觸模式。因此，接下來研究人員通過電生理實(shí)驗(yàn)檢測了絲狀偽足產(chǎn)生的電活動(dòng)。模擬鄰近神經(jīng)元釋放谷氨酸時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，接受輸入的絲狀偽足并不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。但人為解除NMDA受體通道的阻斷，就像存在AMPA受體時(shí)發(fā)生的變化那樣，這些沉默突觸可以解除沉默。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)顯示，結(jié)合谷氨酸釋放和神經(jīng)元內(nèi)的電流兩種刺激時(shí)，可以導(dǎo)致絲狀偽足的沉默突觸中積累AMPA受體，轉(zhuǎn)換為有功能活性的突觸，與附近釋放谷氨酸的神經(jīng)軸突形成強(qiáng)有力的神經(jīng)連接。▲絲狀偽足的沉默突觸可以通過突觸前后的同步激活解除沉默（圖片來源：參考資料[1]）
研究人員分析發(fā)現(xiàn)，將沉默突觸轉(zhuǎn)變?yōu)橛泄δ艿倪B接要比改變已經(jīng)有功能的成熟突觸容易得多。“成體大腦中的成熟突觸閾值更高，大概是因?yàn)槟阆Ｍ梢韵喈?dāng)牢固地存儲(chǔ)這些記憶，而不希望它們不斷被新記憶覆蓋。”Harnett教授說，“另一方面，可以利用絲狀偽足來形成新的記憶。”換言之，現(xiàn)在科學(xué)家有了更切實(shí)的證據(jù)可以確認(rèn)，在成年哺乳動(dòng)物的大腦中，記憶系統(tǒng)擁有既靈活又穩(wěn)健的基礎(chǔ)，不斷獲取新信息，也能保留已有的重要信息。研究人員表示，他們正在人腦組織中進(jìn)一步尋找這些沉默突觸的證據(jù)，以及研究這些突觸的數(shù)量或功能是否受到衰老、神經(jīng)退行性疾病等因素的影響。“你可以想象這樣的前景：找到與絲狀偽足有關(guān)的分子參與者，并嘗試操縱其中一些分子，從而在我們變老時(shí)再次擁有靈活的記憶能力。”Harnett教授說到。[1] Dimitra Vardalaki et al., (2022) Filopodia are a structural substrate for silent synapses in adult neocortex. Nature Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05483-6[2] Silent synapses are abundant in the adult brain. Retrieved Nov. 30, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/972600
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