成人大脑中存在大量沉默突触

作者：Anne Trafton，麻省理工学院

麻省理工学院的神经科学家发现，成人大脑中含有数以百万计的 "沉默突触"--神经元之间的不成熟连接，在被征用帮助形成新记忆之前一直处于不活跃状态。

到目前为止，人们一直认为沉默突触只存在于早期发育阶段，它们帮助大脑学习生命早期接触到的新信息。然而，麻省理工学院的这项新研究发现，在成年小鼠的大脑皮层中，约有 30% 的突触处于沉默状态。

研究人员说，这些沉默突触的存在可能有助于解释成年大脑为何能够不断形成新记忆和学习新事物，而无需修改现有的常规突触。

"这些沉默突触正在寻找新的连接，当重要的新信息出现时，相关神经元之间的连接就会得到加强。新研究的第一作者、麻省理工学院研究生迪米特拉-瓦尔达拉基（Dimitra Vardalaki）说："这让大脑在创造新记忆的同时，不会覆盖存储在成熟突触中的重要记忆，因为成熟突触很难改变。

脑与认知科学副教授马克-哈奈特（Mark Harnett）是这篇今天发表在《自然》杂志上的论文的资深作者。麻省理工学院化学工程副教授Kwanghun Chung也是该论文的作者之一。

惊人的发现

几十年前，当科学家们首次发现无声突触时，它们主要出现在幼鼠和其他动物的大脑中。在早期发育过程中，这些突触被认为可以帮助大脑获取大量信息，而婴儿需要这些信息来了解周围环境以及如何与之互动。在小鼠身上，这些突触被认为会在其出生后 12 天左右（相当于人类出生后的头几个月）消失。

然而，一些神经科学家提出，无声突触可能会持续到成年，并有助于新记忆的形成。在成瘾的动物模型中就有这方面的证据，成瘾被认为主要是一种异常学习障碍。

哥伦比亚大学的斯特凡诺-福西（Stefano Fusi）和拉里-阿博特（Larry Abbott）在这一领域的理论研究也提出，神经元必须表现出多种不同的可塑性机制，才能解释大脑如何既能高效地学习新知识，又能将其保留在长期记忆中。在这种情况下，一些突触必须很容易建立或改变，以形成新的记忆，而另一些突触则必须保持更加稳定，以保存长期记忆。

在这项新研究中，麻省理工学院的研究小组并没有专门去寻找沉默突触。相反，他们是在跟进哈内特实验室之前一项研究的有趣发现。在那篇论文中，研究人员发现，在单个神经元内，树突--神经元伸出的天线状延伸--可以根据其位置以不同的方式处理突触输入。

作为该研究的一部分，研究人员试图测量不同树突分支的神经递质受体，看看这是否有助于解释它们行为的差异。为此，他们使用了 Chung 开发的一种名为 eMAP（表位保留的蛋白质组放大分析）的技术。利用这种技术，研究人员可以对组织样本进行物理扩展，然后标记样本中的特定蛋白质，从而获得超高分辨率的图像。

在进行成像时，他们有了一个惊人的发现。"哈奈特说："我们看到的第一件事是，到处都是丝状体，这超级奇怪，我们也没想到。

丝状突起是树突上延伸出的薄膜突起，以前也曾出现过，但神经科学家并不知道它们到底是做什么的。部分原因是丝状突起非常微小，传统成像技术很难看到。

在观察到这一现象后，麻省理工学院的研究小组开始尝试使用 eMAP 技术在成人大脑的其他部位寻找丝状体。出乎他们意料的是，他们在小鼠视觉皮层和大脑的其他部位发现了丝状体，其水平比以前看到的高出10倍。他们还发现，丝状体具有名为NMDA受体的神经递质受体，但没有AMPA受体。

典型的活跃突触同时具有这两种类型的受体，它们都与神经递质谷氨酸结合。NMDA 受体通常需要与 AMPA 受体合作才能传递信号，因为在神经元的正常静息电位下，NMDA 受体会被镁离子阻断。因此，当 AMPA 受体不存在时，只有 NMDA 受体的突触无法传递电流，被称为 "沉默"。

无声突触

为了研究这些丝状突触是否可能是沉默的突触，研究人员使用了一种名为 "贴片钳夹 "的实验技术的改进版。这样，当他们试图通过模仿邻近神经元释放神经递质谷氨酸来刺激单个丝状突触时，就能监测到它们产生的电活动。

利用这种技术，研究人员发现，除非在实验中解除 NMDA 受体的阻断，否则谷氨酸不会在接受输入的丝状体中产生任何电信号。研究人员说，这为丝状体代表大脑内沉默突触的理论提供了有力支持。

研究人员还表明，他们可以通过将谷氨酸释放与来自神经元本体的电流相结合来 "解除 "这些突触的 "沉默"。这种联合刺激会导致沉默突触中的 AMPA 受体积聚，使其与附近释放谷氨酸的轴突形成紧密联系。

研究人员发现，将沉默突触转化为活跃突触要比改变成熟突触容易得多。

"哈奈特说："如果你从一个已经起作用的突触开始，这种可塑性协议就不起作用了。"成人大脑中的突触具有更高的阈值，这大概是因为你希望这些记忆具有相当的弹性。你不希望它们不断被覆盖。另一方面，丝状突触可以被捕获，形成新的记忆。

"灵活而强大

研究人员说，这些发现为阿博特和福西提出的理论提供了支持，即成人大脑中的突触具有高度可塑性，可以被调用来形成新的记忆。

"哈内特说："据我所知，这篇论文是第一个真正证明哺乳动物大脑是这样工作的证据。"丝状体使记忆系统既灵活又强大。你需要灵活性来获取新信息，但你也需要稳定性来保留重要信息。

研究人员目前正在人类脑组织中寻找这些无声突触的证据。他们还希望研究这些突触的数量或功能是否会受到衰老或神经退行性疾病等因素的影响。

"哈内特说："完全有可能，通过改变记忆系统的灵活性，改变行为和习惯或吸收新信息会变得更加困难。"你还可以想象，找到一些参与丝状体的分子角色，并尝试操纵其中的一些东西，试图在我们衰老的过程中恢复灵活的记忆。

(责任编辑：泉水)

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