科学家们早已知道，大脑需要神经活动才能成熟，而感官输入在一个特定的时间窗口内尤为重要，这个时间窗口被称为“关键期”，此时大脑准备进行积极的学习。视觉、听觉和触觉等感官在这样的关键期内发展，而嗅觉系统等其他感官则保持终生的可塑性。视觉系统提供了一个研究发育可塑性的典范，因为诺贝尔奖得主大卫·哈贝尔和托尔斯滕·维塞尔的开创性工作描述了视觉系统的结构，这是研究其灵活性的先决知识。尽管视觉可塑性研究已有超过40年的历史，但感官体验如何与大脑内置的机制相互作用以改变其电路，仍然是一个刚刚开始被理解的领域。

一项新的研究聚焦于可塑性的分子根源，发现视觉刺激能够提高某些基因的表达，同时降低其他基因的表达，类似于指挥家指挥乐队成员。研究还发现，在啮齿动物的不同生命阶段，特定的基因组在响应视觉输入时会启动。这些基因组可能协同工作，使突触和神经回路能够响应视觉活动并塑造大脑，相关研究结果已在《自然神经科学》五月期刊上报道。

研究人员识别出许多不同的依赖于活动的基因组，这一发现标志着神经科学研究向更整体的视角转变，关注基因在神经发育和可塑性中的作用。首席作者马尔塔·马伊丹（Marta Majdan）表示：“我们的发现使科学能够更全面地看待基因，从研究单个基因转向研究基因家族的协同作用。”这些发现表明，针对神经退行性疾病的基因疗法，许多疗法主要集中在单个基因的治疗上，将需要对分子通路和基因相互作用有更广泛的了解才能取得成功。

马伊丹和共同作者卡拉·沙茨（Carla Shatz）研究了在关键期内视觉输入刺激积极可塑性的啮齿动物，这一时期塑造了皮层中神经连接的网络，并调节突触传递信息的强度。在小鼠中，这一时期在它们睁开眼睛并开始看见后不久开始。之前的研究已确定，视觉活动会改变个别基因的表达水平，例如脑源性神经营养因子（Bdnf）。

为了确定视觉是否调节这些啮齿动物的其他基因，马伊丹和沙茨在不同年龄段，包括关键期，通过去除一只眼睛而保留另一只眼睛，施加了异常的视觉体验。然后，他们比较了支持开放眼睛的皮层与缺失眼睛的基因表达谱。他们发现，Bdnf并不是唯一的视觉输入会改变表达水平的基因——在所有研究的年龄段，视觉输入会改变十个额外基因的表达水平，这些基因被称为“共同基因组”。通过化学抑制已知与多个共同基因组基因相关的MAP激酶，他们发现该激酶作为中继，调节这些基因对视觉活动的响应。

研究人员发现，其他基因组叠加在这一核心通路之上，但这些基因组在关键期前、期间和之后以及成年期的特定年龄由视觉开启和关闭。“这表明，感官体验根据你的年龄和过去的经历调节大脑中的不同基因，”沙茨说。“因此，养育，即我们通过感官体验世界的经历，通过自然，即基因组，改变大脑电路。”

这些发现可能会导致对纠正早期视觉障碍的新思路。由于大脑因异常视觉而发生显著改变，恢复患有白内障或斜视（可能影响视觉的眼睛不对齐）的儿童的视觉，可能不足以纠正损伤。单基因替代的治疗也无法奏效。“我们需要尝试找到在下游网络中开启基因的主要开关，而不是单独研究网络中的每个元素并基于每个基因设计治疗，”沙茨说。

这项研究帮助解释了为什么儿童学习如此迅速和轻松，并支持了一个观点，即在成年人中，心理活动导致心理灵活性。“令人惊讶的是，即使在我们最老的小鼠中，我们也看到了基因受到视觉的调节。大脑中的基因会随着经验而变化，在每个年龄段都形成我们学习和记忆的基础，即使在成年期，”沙茨说。

这项研究得到了美国国立卫生研究院的资助，马伊丹还获得了加拿大健康研究院和哈佛医学院的贝伦伯格奖学金。