人們常說，小時候大腦的學習和記憶能力更強,。看看嬰兒就知道,，當他們來到這個陌生的世界，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,，頂尖學術期刊《自然》上線的一項新研究,，指出了成年大腦也絕不缺少靈活學習新東西的潛力。這項研究的一個重要發(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)細胞之間傳遞信息的關鍵節(jié)點,。神經(jīng)科學家過去在大腦中發(fā)現(xiàn)，有一類突觸雖然有突觸結構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變?yōu)橛泄δ艿耐挥|。這種轉變就引起了神經(jīng)科學家的極大興趣,，因為它可以作為學習和記憶的基礎,。幾十年來，沉默突觸被認為只有在早期發(fā)育階段很豐富,，在此期間它們介導了神經(jīng)環(huán)路的形成和完善,，從而幫助大腦在生命早期學習新接收的海量信息。對小鼠的一些研究顯示,，小鼠長到12天時（換算為人類的話,，大約相當于幾個月）,，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)科學家曾經(jīng)提出,，沉默突觸可能會持續(xù)到成年，幫助大腦形成新記憶,。而這方面的證據(jù)主要來自動物成癮的研究模型，也就是說大腦此時出現(xiàn)了學習異常的問題,。
此次新研究中,，麻省理工學院（MIT）的科學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，當重要的新信息出現(xiàn)時,，相關神經(jīng)元之間的連接會得到加強,。”論文第一作者,、MIT的博士研究生Dimitra Vardalaki指出,，“這讓大腦可以創(chuàng)造新的記憶，又不會覆蓋已經(jīng)存儲于穩(wěn)定的成熟突觸中的重要記憶,。”有趣的是,，這項發(fā)現(xiàn)竟是“無心插柳柳成蔭”。研究負責人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,。為了確認樹突不同類型的輸入模式是否和它們表達的受體不同有關，研究團隊與化學工程專業(yè)的Kwanghun Chung教授合作,，用他開發(fā)的一種新技術獲取樹突的超高分辨率圖像,。這種技術被稱為eMAP（蛋白質(zhì)組表位保存放大分析），可以讓研究人員物理擴大組織樣本,，然后標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,，“這超級奇怪，完全出乎意料,?！?/span>顧名思義,，絲狀偽足非常細小，因此使用傳統(tǒng)的成像技術很難看清細節(jié),，神經(jīng)科學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,，研究團隊此次進一步對成年小鼠大腦的多個區(qū)域進行了觀察,，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)量比過去認為的要高一個數(shù)量級,。 
▲利用新技術,，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，負責結合中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要興奮性神經(jīng)信號分子谷氨酸,。興奮性突觸傳遞信號需要NMDA受體和AMPA受體的合作,，只有NMDA受體而沒有AMPA受體時，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驗檢測了絲狀偽足產(chǎn)生的電活動。模擬鄰近神經(jīng)元釋放谷氨酸時,，他們發(fā)現(xiàn),，接受輸入的絲狀偽足并不會產(chǎn)生電信號。但人為解除NMDA受體通道的阻斷,，就像存在AMPA受體時發(fā)生的變化那樣,，這些沉默突觸可以解除沉默。進一步實驗顯示,，結合谷氨酸釋放和神經(jīng)元內(nèi)的電流兩種刺激時,，可以導致絲狀偽足的沉默突觸中積累AMPA受體，轉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,?！俺审w大腦中的成熟突觸閾值更高，大概是因為你希望可以相當牢固地存儲這些記憶,，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)在科學家有了更切實的證據(jù)可以確認,，在成年哺乳動物的大腦中，記憶系統(tǒng)擁有既靈活又穩(wěn)健的基礎,，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:///10.1038/s41586-022-05483-6[2] Silent synapses are abundant in the adult brain. Retrieved Nov. 30, 2022 from https://www./news-releases/972600
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