2022年6月27日功能
一个描述与学习相关的树突棘的形成和发展的新框架
众所周知，学习可以促进大脑中新连接的建立，特别是兴奋性突触，这种突触会增加神经元中动作电位产生的可能性。动作电位是与肌肉或神经细胞细胞膜上的脉冲传递有关的电势变化。
神经科学研究表明，学习最终会导致新的树突棘的形成，这是从神经元的树突中出现的小突起(即复杂的、树枝状的细胞延伸)。虽然这一发现被广泛记录在案，但这些新形成的、与学习相关的树突棘的功能仍然知之甚少。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员最近进行了一项研究，调查学习如何更深入地影响树突棘的形成和发展。他们的研究结果发表在自然神经科学的研究表明，在学习过程中新棘的形成实际上可能是由一些功能分裂的、已经存在的棘的增强所引导的。
“我们早就知道，当动物学习时，新的连接——或突触——会在它们之间形成神经元进行这项研究的研究人员之一Nathan G. Hedrick告诉MedicalXpress。“但神经元如何‘知道’要建立适当的连接呢?”这些变化是如何在不‘迷惑’神经元的情况下发生的?神经元已经有数千个这样的突触了。”
Hedrick和他的同事们开始着手更好地理解大脑神经元使用突触学习的方式。过去许多研究活体动物大脑中单个突触的研究表明，大脑中的神经元倾向于将类似的信息组织成“簇”，这些簇位于它们的树枝状树突上。
这些观察结果表明，信息的某些“主动捆绑”可能发生在单个神经元水平上。在他们的论文中，研究人员进一步研究了这一假设。
“我们推断，在学习过程中形成的新突触可能会遵循它们的母神经元的聚集规则，但我们也知道，解释这种组织是如何进行的将是一个非常困难的道路，”Hedrick解释道。“除了要在一个有行为的动物学习的许多天里，在它的大脑中找到相同的单个突触这一技术挑战之外，理解这些变化是如何发生的还需要融合几种尖端(且具有挑战性)的方法。”
在他们的实验中，Hedrick开始更好地理解神经元是如何组织它们从环境中接收到的数千条输入信息的，以及这种安排在学习过程中是如何演变的。这将大大提高我们目前对人类和动物大脑的理解。
为了更有把握地确定新的与学习相关的突触的功能，研究人员必须使用技术来可视化单个突触及其随时间的活动。此外，他们还需要一些方法来确定突触的活动与特定的习得行为之间的关系。
Hedrick解释说:“我们利用荧光谷氨酸生物传感器iGluSnFR的纵向2光子成像，在小鼠学习时实现了这一点。”简而言之，这种方法让我们能够看到清醒动物(老鼠)大脑中的荧光神经元，并进行跟踪突触活动根据动物行为和学习时iGluSnFR信号的亮度(在突触活跃时反映谷氨酸释放增加)。”
为了了解神经元在学习过程中如何“搜索”合适的信息，Hedrick和他的同事们使用了一种叫做相关电子显微镜(CLEM)的技术来收集相关的细胞测量数据。他们将这种技术应用到之前他们在样本小鼠学习时追踪的相同树突上。
最终，这一过程使他们能够访问到他们无法仅从2光子成像收集的数据中获得的信息。这包括被称为丝状足的微小结构的可视化，它们本质上是神经元形成新突触的“尝试”。
“这种方法还允许我们获得有关突触输入的信息;换句话说，他们建立了什么样的联系，”Hedrick说。“综合这些技术，我们通过细胞试错游戏表明，新的突触符合神经元上已经存在的突触的功能组织:当神经元检测到一个同步的集群时，它会在局部采样附近的其他输入，直到找到一个同步的集群，并去除任何不满足这些要求的新突触。”
这组研究人员收集的发现可能具有许多重要的意义。首先，它们表明神经元在组织自身连接方面非常熟练。
在他们的论文中，Hedrick和他的同事们概述了一种新的生物学上可行的机制，可以让脑细胞搜索信息，以补充它们已经从环境中接收到的信号。这种机制可能是广泛记录的神经回路在动物和人类学习时协调变化的能力的关键部分。
“当我们考虑到这篇论文中描述的所有事件都可能发生在单个神经元的非常小的区域内时，我们的发现更加令人难以置信，这表明神经元必须有一种方法来区分发生在树突上一个地方和另一个地方的事件，”Hedrick说。“这与我的博士工作一致，研究表明，在诱导突触结构变化的过程中，生物化学因素的控制是非常具体和有空间模式的。”
因此，研究人员的发现与先前关于突触模式的分子要求的假设一致，并为理解编码这些模式的任何基因突变时会发生什么提供了一个更具体的目标。在他们的实验中，Hedrick和他的同事们还能够识别在学习过程中形成新突触的轴突(即神经元的细长部分，类似于脉冲传递的“电缆”)。
“我们最初的假设是，新的突触可能会连接到与它们的一些邻居相同的轴突，这将基本上确保它们正在寻找的同步活动，”Hedrick说。“这是最容易接受的假设，因为很难想象分离但同步的输入足够丰富，总是在给定树突的丝状足力所能及的范围内。”
虽然Hedrick和他的同事们能够在他们的数据中发现一些他们假设的“电缆共享”结构的例子，但他们很少在新突触中观察到类似的组织。相反，他们发现新形成的突触的轴突几乎从未与同一树突上的任何东西连接。
“这是一个惊人的结果，因为它表明，新突触显示的局部同步活动可能对应于分离但仍然同步的上游神经元，”Hedrick说。“从本质上说，我们认为新的突触真正将独立的信息流绑定到单个树突上。”
由于单个神经元的功能与突触信息的连接方式有关，该研究团队收集的结果可以为更好地理解神经元在学习过程中如何优化其功能相关行为铺平道路。在他们的下一个工作中，Hedrick和他的同事们希望找到大脑区域轴突与新细胞相连突触产生。这将进一步揭示它们的独特功能。
“例如，如果这些新的突触连接起源于感觉区域，而它们的集群同步邻居来自运动规划区域，这可能表明感觉信息与运动计划信息混合在一起，以指导学习，”Hedrick补充道。“这是许多可能的结果之一，所有这些结果都将提供关于大脑中信息处理的基础知识的关键信息，以及这种处理如何在学习中灵活变化。大脑．"
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