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大脑内部是一个致密的神经元网络，负责接收、处理和传递信息。神经元交汇处的突触是这种通信的中心。发送信息的神经元（称为突触前神经元）向接收信息的神经元（突触后神经元）释放神经递质。此前，人们假设学习涉及神经元在突触层面上的物理重组。然而，由于现有的显微技术无法在活体组织中长时间（数天至数周）以高分辨率（纳米级）成像，这一假设难以得到验证。一项发表在《自然-神经科学》上的新研究，利用双光子钙成像（GCaMP6f）和扫描电子显微镜（EM）来追踪小鼠在学习一项运动任务（在旋转杆上行走）时，运动皮层中突触的重组过程。在学习过程中，运动皮层中的树突棘（突触后位点）表现出快速的增加和清除（即“结构性可塑性”）。到学习结束时（4-8周），树突棘的周转率（形成和消除的速率）已经稳定下来。值得注意的是，运动学习的获取（即能够在不摔落的情况下在杆上行走）发生在棘周转率达到峰值之前。作者推测，学习是通过“去抑制”现有突触，而非形成新的突触来启动的。

突触可塑性

突触是神经元之间进行交流的连接点。突触前神经元（发送信息的神经元）释放神经递质（如谷氨酸、GABA、多巴胺），这些神经递质与突触后神经元上的受体结合。学习的细胞相关性是长时程增强（LTP）——一种突触强度的持续增强（例如，由于NMDA受体的激活和AMPA受体的插入），以及长时程抑制（LTD）——一种突触强度的持续减弱。此前，人们假设长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）伴随着树突棘的物理变化（即“结构性可塑性”）。

树突棘

树突棘是从树突（接收信息的神经元部分）上伸出的微小突起。树突棘的头部包含一个“突触后致密区”（PSD），其中聚集着谷氨酸受体（AMPA、NMDA）。树突棘的形态（大小、形状）与其功能相关——大的、蘑菇状的棘通常与强突触相关，而细的、丝状的棘通常与弱突触相关。

主要发现

1. 树突棘周转率在学习过程中增加

在学习一项运动任务（在旋转杆上行走）的过程中，运动皮层中的树突棘表现出快速的增加和清除（即“结构性可塑性”）。棘的形成率和消除率均有所增加。

2. 学习的获取与棘周转率的高峰期不一致

引人注目的是，运动学习的获取（即能够在不摔落的情况下在杆上行走）发生在棘周转率达到峰值之前。作者推测，学习是通过“去抑制”现有突触（即，通过GABA能中间神经元的去抑制），而非形成新的突触来启动的。

临床意义

1. 卒中康复

在卒中后，受损的运动皮层区域（缺血半暗带）可能表现出树突棘的丢失。在卒中后，通过约束诱导运动疗法（CIMT）进行康复训练，可能会诱导新的树突棘形成，从而促进功能恢复。

2. 神经发育障碍

在自闭症谱系障碍（ASD）中，树突棘的密度过高（“棘增多症”），这可能反映了突触修剪的缺陷。相反，在注意缺陷/多动障碍（ADHD）中，树突棘的密度可能较低。

未来方向

1. 光遗传学：在学习过程中，使用光遗传学技术（在表达ChR2的小鼠中）激活树突棘，以评估其能否加速运动学习。

2. 经颅磁刺激（TMS）：在学习运动任务期间，对健康人类志愿者的运动皮层施加重复经颅磁刺激（rTMS），以评估其能否增加树突棘的周转率。

3. 老年小鼠：在老年小鼠中研究树突棘的周转率，并评估其与运动学习能力下降的相关性。

结论

这项发表在《自然-神经科学》上的研究发现，在学习运动任务的过程中，运动皮层中的树突棘周转率（形成和消除）会增加。 然而，学习的获取发生在棘周转率达到峰值之前，表明学习可能是通过“去抑制”现有突触来启动的。