神经科学家发现大脑可塑性的基本规则

这种枝晶的图像 - 用电子显微镜（前景）重建了神经元和其脊柱的分支，在完整的脑（背景）中的两光子显微镜上成像后被电子显微镜（前景）。图像：苏尔实验室

我们的大脑是着名的灵活性，或“塑料”，因为神经元可以通过与其他神经元锻造新的或更强的联系来完成新事物。但是，如果有些联系加强，神经科学家已推理，神经元必须弥补，以免它们变得不堪重负。在新的科学研究中，MIT学习和记忆研究所的研究人员首次展示了这种平衡如何击中：当一个连接，称为突触，加强，立即邻近突触基于至关重要的作用削弱蛋白质称为弧形。

高级作者Mriganka Sur表示他很兴奋但并不让他的团队在这种复杂系统的核心作为大脑的核心发现一个简单，基本的规则，其中100亿神经元有数千个不断变化的突触。他将它比较如何大量的鱼类可以突然改变方向，只要铅鱼转动和每隔一条鱼都遵守沿着它面前的鱼类的简单规则。

“复杂系统的集体行为总是具有简单的规则，”菲尔研究所的神经科学教授和麻省理工学院的脑和认知科学系的神经科学教授。“当一个突触上升时，在50微米范围内，使用明确定义的分子机制，其他突触的强度降低。”

他说，这一发现提供了解释神经元在神经元中的突触加固和削弱以产生可塑性的解释。

具有圆形工艺或刺的树枝状，用双光子显微镜显微镜表达与蛋白质弧的绿色标签一起表达红色荧光蛋白。图像：苏尔实验室

多种操纵

虽然他们发现的规则很简单，但揭示它不是的实验。当他们努力激活老鼠的视觉皮层中的可塑性，然后跟踪突触如何变化以使这种情况发生，萨米El-Boustani和jacquePak Kan IP，Sur的实验室中的Postdocs完成了几个第一款。

在一个关键实验中，它们通过改变神经元的“接受领域”或其响应的视野斑块来调用可塑性。神经元通过它们的分支树枝状的小脊椎突触通过突触接收输入。为了改变神经元的接受领域，科学家们对神经元的相关树突上的确切脊柱进行了精确的脊柱，然后在筛选的特定位置展示鼠标瞄准的突出物中的突触中的突出变化场地。每当目标是他们想要诱导的新的接受场位置，它们通过闪烁在鼠标的视觉皮层内部的蓝色光线，加强了神经元的反应，就像另一个神经元一样煽动额外的活动。神经元已遗传设计为通过光闪光激活，这是一种称为“Optimetics”的技术。

研究人员一遍又一遍。因为光刺激与靶在鼠标视觉中的新位置中的每个外观相关，所以导致神经元加强脊柱上的特定突触，编码新的接受领域。

“我认为我们能够在完整的大脑中重新编程单一神经元，在生活组织中重新编程单一神经元，允许这些细胞通过突触塑性整合新功能的分子机制的普遍性，”El-Boustani说。

随着新的接受领域的突触成长，研究人员可以在双光子显微镜下看到附近的突触也萎缩。他们没有观察到缺乏视神经科刺激的实验控制神经元的这些变化。

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，所以它们靠近光学显微镜分辨率的极限。因此，在实验之后，该团队解释了含有操纵和控制神经元的树突的脑组织，并将它们运送到瑞士eCole Polytechnique Federal de Lausanne的共同作者。它们进行了专用的更高分辨率，3-D电子显微镜成像，证实了双光子显微镜下的结构差异有效。

“这是在体内成像后曾经重建的最长长度，”Sur，他还将Simons Centre指挥为麻省理工学院。

当然，用闪光重新编程鼠标的遗传工程神经元是一个不自然的操作，因此该团队做了另一个更经典的“单眼剥夺”实验，它们暂时关闭了一只老鼠的一只眼睛。当发生与闭眼相关的神经元的突触时，弱点和与仍然睁眼相关的突触。然后，当它们重新打开先前闭合的眼睛时，突触再次重新排列。他们也跟踪了这种行动，并认为随着突触的加强，他们的直接邻居会削弱以补偿。

解决弧的谜团

已经看到了新的规则，研究人员仍然渴望了解神经元的遵守方式。它们使用化学标签来观看关键的“AMPA”受体如何在突膜中改变，并且看到突触扩大和强化与更多的AMPA受体表达相关，同时收缩和削弱与较少的AMPA受体表达相关。

蛋白质ARC调节AMPA受体表达，因此该团队意识到他们必须跟踪弧度以充分了解正在发生的事情。问题，苏尔说，在生活中的大脑之前没有人这样做过，表现出动物。因此，该团队在京都大学医学研究生院和东京大学的共同作者中致力于发明化学标签。

使用标签，团队可以看到加强突触包围已被富集弧形表达的弱化突触包围。具有减少量的突触能够表达更多的AMPA受体，而相邻刺的增加导致这些突触表达较少的AMPA受体。

“我们认为ARC保持突触资源的平衡，”IP说。“如果出现一些事情，必须下降一些东西。这是弧的主要作用。“

因此，研究所以解决了弧的谜：在已经理解之前没有人理解为什么弧似乎在正在进行突触可塑性的树突上上调，即使它是削弱突触，而且现在答案很清楚。加强突触增加弧形以削弱其邻居。

SUR补充说，该规则有助于解释学习和记忆如何在inpidual神经元水平上工作，因为它显示了神经元如何调节另一个的反复模拟。

罗切斯特大学视觉科学中心的神经科学副教授Ania Majewska表示，该研究的先进方法使团队能够实现和重要的新结果。

“由于难以监测和操纵连接神经元的微小和许多突触，大多数研究已经在人工刺激的减少制剂中进行了，这不清楚所识别的机制在脑反应内的复杂电路中实际实施的机制如何实现。致威斯卡说。“这项新的SUR实验室的研究产生了很大的影响，因为它结合了切削刃成像和遗传工具，使遗传突触在大脑中的近突触的功能进行了响应，这些刺激性地存在于行为上相关的刺激，这些刺激是引起神经元反应的变化的影响。

“鉴于这种巡回赛的结果，我们现在可以说，在完整的大脑中，在电路功能的变化中通过涉及弧播放的分子级联的机制，在电路功能的变化期间彼此相互作用的突触。关键作用，“她说。“这些信息允许我们不仅理解神经元电路如何在生理环境中如何发展和改造，但提供了对鉴定这些过程在各种神经疾病中的AWRY如何变为重要的线索。”

除了SUR，EL-BOSTANI和IP外，本文的其他作者还包括VINCENT BRETON-PRIPENCER，GHRAHAM Knott，Hiroyuki Okuno和Haruhiko Bito。

研究资金来自菲尔研究所创新基金，社会大脑中的西蒙斯中心，玛丽居里博士后奖学金，一项人的边境科学计划长期奖学金，国家卫生研究院，国家科学基金会和kakenhi。

出版物：Sami El-Boustani等，等，“Vivo视觉皮质神经元的局部协调突触塑性，”科学，2018年6月22日：卷。 360，第6395号，第1349-1354页; DOI：10.1126 / science.aao0862.