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發(fā)現(xiàn)控制大腦可塑性的基本規(guī)則

文章作者:南京暢享醫(yī)療科技
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[導(dǎo)讀:]我們的大腦具有很高的靈活性或“可塑性”,這是因?yàn)樯窠?jīng)元能夠通過與其他的神經(jīng)元建立新的或更強(qiáng)的連接來做新的事情。但是,如果一些連接得到強(qiáng)化

發(fā)現(xiàn)控制大腦可塑性的基本規(guī)則

我們的大腦具有很高的靈活性或“可塑性”,這是因?yàn)樯窠?jīng)元能夠通過與其他的神經(jīng)元建立新的或更強(qiáng)的連接來做新的事情。但是,如果一些連接得到強(qiáng)化,那么神經(jīng)科學(xué)家們就會推理神經(jīng)元必須進(jìn)行相應(yīng)地抵消,以免它們接收到過多的輸入信號。在一項(xiàng)新的科學(xué)研究中,來自美國麻省理工學(xué)院皮考爾學(xué)習(xí)與記憶研究所的研究人員首次證實(shí)了這種平衡是如何實(shí)現(xiàn)的:當(dāng)一個被稱為突觸的連接得到強(qiáng)化時,緊鄰的突觸基于一種至關(guān)重要的被稱作Arc的蛋白的作用而發(fā)生減弱。

在一個關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)中,這些研究人員通過改變神經(jīng)元的“感受域(receptive field)”---神經(jīng)元作出反應(yīng)的視野區(qū)域---來誘導(dǎo)可塑性。神經(jīng)元通過位于它們的分枝樣樹突的小棘表面上的突觸接受輸入。為了改變一個神經(jīng)元的感受域,他們在屏幕上給小鼠顯示了與這個神經(jīng)元的初始感受域不同的靶區(qū)域,隨后密切地監(jiān)測它的突觸發(fā)生的變化,他們精確地找到了與這個神經(jīng)元相關(guān)的樹突棘。每當(dāng)這個靶區(qū)域處于他們想要誘導(dǎo)的新的感受域位置時,他們通過在小鼠視覺皮層內(nèi)閃現(xiàn)藍(lán)光來加強(qiáng)這個神經(jīng)元的反應(yīng),就像另一個神經(jīng)元那樣觸發(fā)額外的活性。這個神經(jīng)元已經(jīng)基因改造,能夠被閃現(xiàn)的藍(lán)光激活,這種技術(shù)被稱為“光遺傳學(xué)(optogenetics)”。


這些研究人員一遍又一遍地做了這個實(shí)驗(yàn)。由于光刺激與小鼠視覺的這個新位置中的靶區(qū)域的每次出現(xiàn)相關(guān)聯(lián),這導(dǎo)致這個神經(jīng)元增強(qiáng)了樹突棘上的特定突觸,從而編碼新的感受域。


El-Boustani說,“我們能夠重編程完整大腦中的單個神經(jīng)元并在活體組織中見證允許這些細(xì)胞通過突觸可塑性整合新功能的分子機(jī)制的多樣性,我認(rèn)為這是相當(dāng)了不起的?!?/p>


隨著編碼新的感受域的突觸在增加,這些研究人員能夠在雙光子顯微鏡下觀察到附近的突觸在縮小。在缺乏光刺激的實(shí)驗(yàn)性對照神經(jīng)元中,他們并沒有觀察到這些變化。


隨后這些研究人員進(jìn)一步證實(shí)了他們的發(fā)現(xiàn)。鑒于突觸是非常小的,它們接近于光學(xué)顯微鏡的分辨率極限。因此,在這些實(shí)驗(yàn)之后,他們仔細(xì)分析了含有受到操縱的神經(jīng)元和對照神經(jīng)元的樹突的腦組織,并將它們運(yùn)送到瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的合作者那里。他們進(jìn)行了專門的更高分辨率的三維電子顯微鏡成像,證實(shí)了在雙光子顯微鏡下觀察到的結(jié)構(gòu)差異是有效的。Sur 說,“這是在體內(nèi)成像后重建的比較長樹突長度?!?/p>


當(dāng)然,利用藍(lán)光閃現(xiàn)重編程小鼠中的經(jīng)過基因改造的神經(jīng)元是一種不自然的操縱,因此這些研究人員開展了另一個更經(jīng)典的“單眼剝奪(monocular deprivation)”實(shí)驗(yàn),在這個實(shí)驗(yàn)中,他們暫時地閉合了小鼠的一只眼睛。當(dāng)發(fā)生這種情況時,與這只閉合的眼睛相關(guān)的神經(jīng)元中的突觸發(fā)生減弱,而與另一只仍然打開的眼睛相關(guān)的突觸發(fā)生強(qiáng)化。隨后,當(dāng)他們重新打開這只之前閉合的眼睛時,這些突觸再次重新排列。他們也跟蹤了這一行動,并且觀察到隨著突觸發(fā)生強(qiáng)化,它們鄰近的突觸發(fā)生減弱以作為補(bǔ)償。

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