新工具揭示了我们学习时大脑发生的变化
斯克里普斯研究中心的科学家们开发了一种新的工具来监测大脑的可塑性——当我们学习和体验事物时，从看电影到学习一首新歌或一门语言，我们的大脑是如何重塑和身体适应的。他们的方法是测量由不同类型的脑细胞产生的蛋白质，这种方法有可能回答关于大脑如何工作的基本问题，并阐明许多导致大脑可塑性出错的脑部疾病。
之前在几个实验室进行的实验已经揭示了其中的原因大脑活动刺激神经元基因表达的变化，这是可塑性的早期步骤。该团队的实验，描述在神经科学杂志9月7日，我们将关注可塑性的下一个重要步骤，将遗传密码翻译成蛋白质。
“我们仍然不了解大脑细胞如何对经历做出反应而发生变化的所有潜在机制，但这种方法为我们了解这一过程提供了一个新的窗口，”霍利斯·克莱恩博士说，他是斯克里普斯研究所的哈恩教授和神经科学主席，也是这项新工作的资深作者。
当你学习新东西时，会发生两件事:首先，神经元立即沿着大脑中的新路线传递电信号。然后，随着时间的推移，这会导致大脑中细胞的物理结构及其连接的变化。但科学家们一直想知道这两个步骤之间发生了什么。这是怎么电活动在神经元中最终诱导大脑以更持久的方式改变?甚至更进一步，这种可塑性是如何以及为什么会随着年龄和某些疾病而减弱的?
此前，研究人员研究了神经元中的基因是如何随着大脑活动而开启和关闭的，希望能深入了解可塑性。随着高通量基因测序技术的出现，以这种方式跟踪基因变得相对容易。但这些基因中的大多数编码蛋白质——细胞的真正主力，其水平更难监测。但克莱恩与斯克里普斯大学教授约翰·耶茨三世博士和副教授安东·马克西莫夫博士密切合作，想要直接观察大脑中的蛋白质是如何变化的。
“我们想跳进池子的深处，看看蛋白质对什么很重要大脑可塑性,”克莱恩说。
该团队设计了一个系统，在这个系统中，他们可以一次将一种特殊标记的氨基酸(蛋白质的组成部分之一)引入一种类型的神经元。当细胞产生新的蛋白质时，它们会将这种氨基酸，叠氮氨亮氨酸，合并到它们的结构中。随着时间的推移，通过追踪哪些蛋白质含有叠氮诺leucine，研究人员可以监测新合成的蛋白质，并将它们与已有的蛋白质区分开来。
克莱因的研究小组使用叠氮多诺亮氨酸来追踪老鼠经历了大规模和广泛的大脑活动峰值后，哪些蛋白质产生了，模拟了我们体验周围世界时在小范围内发生的事情。该团队专注于皮质谷氨酸能神经元，这是负责大脑处理的一类主要细胞感觉信息．
在神经活动增加后，研究人员发现神经元中300种不同蛋白质的水平发生了变化。三分之二在大脑活动高峰时增加，剩下三分之一的合成减少。通过分析这些所谓的“候选可塑性蛋白”的作用，Cline和她的同事们能够对它们如何影响可塑性有一个大致的了解。例如，许多蛋白质与神经元的结构和形状有关，也与神经元如何与其他细胞交流有关。这些蛋白质表明，大脑活动可以立即开始影响细胞之间的连接。
此外，许多蛋白质与DNA在细胞内的包装方式有关;改变这种包装可以改变细胞在很长一段时间内可以访问和使用的基因。这表明，大脑活动非常短的峰值可以导致更持久的大脑重塑。
“这是一种很明显的机制，通过这种机制，大脑活动的变化可以导致一波又一波基因表达很多天，”克莱恩说。
研究人员希望利用这种方法来发现和研究额外的候选可塑性蛋白，例如在动物看到新的视觉刺激后，可能在不同类型的脑细胞中发生变化的蛋白质。克莱恩说，他们的工具还可以通过比较来洞察大脑疾病和衰老大脑的活动影响蛋白质年轻人和老年人，健康和患病大脑的产量。
除了克莱恩、耶茨和马克西莫夫，该研究的作者还包括斯克里普斯研究所的卢西奥·斯基亚帕雷利、谢毅、Pranav Sharma、丹尼尔·麦克拉奇和马元辉。
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