科学家发现大脑可塑性的基本规则

我们的大脑是著名的灵活,或“塑料”,因为神经元可以做新事物与其他神经元通过建立新的或更强的连接。但是如果一些联系加强,神经科学家推论,神经元必须与输入补偿以免变得不知所措。在在《科学》杂志上的一项新研究中,研究人员在Picower麻省理工学院学习与记忆研究所首次演示如何平衡了:当一个连接,称为突触,增强,立即邻近突触削弱基于一个至关重要的蛋白质称为电弧的作用。

资深作者Mriganka苏尔说,他很兴奋但不惊讶,他的团队发现了一个简单、基本规则等复杂系统的核心,在1000亿个神经元都有成千上万的不断变化的突触。他把它比作一个巨大的鱼可以突然改变方向,学校集体,只要转过身,其他鱼遵循的简单规则后,鱼在它面前。

“集体行为的复杂系统总是有简单的规则,”苏尔说,保罗·e·和Lilah牛顿Picower研究所神经科学教授,麻省理工学院大脑与认知科学系。“当一个突触上升,在50微米其他突触的强度有降低使用定义良好的分子机制。”

他说,这一发现提供了一个解释如何在神经元突触加强和削弱结合产生可塑性。

多个操作

尽管规则他们发现很简单,实验,揭示了不是。工作时激活视觉皮层可塑性的老鼠,然后跟踪突触改变发生,主要作者萨米El-Boustani和雅克Pak菅直人Ip,博士后研究人员在实验室,完成数第一。

在一个关键的实验中,他们调用可塑性通过改变神经元的感受野,或补丁的视野响应。神经元接收输入通过突触小树突刺的树枝上。改变神经元的感受野,科学家们发现确切的相关神经元的树突棘,然后密切监测突触的变化,因为它们显示鼠标屏幕上的目标在一个特定的地方,不同于原始神经元的感受野。每当新的接受字段位置的目标是他们想诱导,他们加强了神经元的反应通过闪烁蓝光鼠标的视觉皮层内部,就像另一个神经元可能煽动额外的活动。神经元被激活的基因工程光闪烁,一个技术叫“光遗传学”。


刺响应场景
一段树突的双光子成像和刺的完整的大脑行为鼠标。红色荧光蛋白用于可视化树突的结构,而钙活动个人刺与绿色指标监测。Branch-wide和spine-specific信号可以观察到在对视觉刺激的反应。从实验室研究所Picower Mriganka苏尔的麻省理工学院学习与记忆。

研究人员这样做。因为光线刺激与每个目标在新位置的外观在鼠标的设想中,这导致了神经元加强特定的突触脊柱,编码新接受域。

“我认为这是很神奇的,我们能够重新编程单一神经元在完整的大脑和见证活组织的多样性分子机制,允许这些细胞通过突触可塑性集成新功能,“El-Boustani说。

随着新感受野的突触的发展,研究人员可以看到附近的双光子显微镜下突触也在下降。他们没有观察到这些变化在实验控制神经元缺乏optogenetic刺激。

但后来他们更进一步证实了他们的发现。由于突触是那么小,他们是在光学显微镜的分辨率的极限。实验团队后解剖大脑组织包含操纵和控制神经元的树突和运送他们的合作者在瑞士洛桑联邦。他们执行了一个专门的、高分辨率、3 d电子显微镜成像、双光子显微镜下确认的结构差异是有效的。

“这是有史以来最长的树突长度后重建成像在体内,”苏尔说,他也领导西蒙斯麻省理工学院的社会大脑中心。

当然,改变一种转基因老鼠的神经元与闪光是一个非正常的操作,所以团队做了另一个比较经典的“单眼剥夺”实验,让他们暂时关闭鼠标的一只眼睛。当这种情况发生时相关神经元的突触闭上眼睛削弱和突触相关仍然打开眼睛的加强。当他们重新开放之前闭上眼睛,再次突触重新排列。他们追踪行动,见突触增强,邻国会削弱进行补偿。

解决电弧的奥秘

看到新规则的影响,研究人员仍渴望了解神经元服从它。他们使用一种化学标记观察关键“AMPA受体改变突触的突触,看到扩大和加强与AMPA受体表达而萎缩,少削弱与AMPA受体表达。

蛋白质调节弧AMPA受体表达,团队意识到他们必须跟踪电弧完全理解发生了什么。苏尔说,问题是,之前没有人做过,大脑的生活、行为的动物。所以团队达到京都大学的合作者医学和东京大学研究生院,他发明了一种化学标签,可以这样做。

使用标签,团队可以看到的加强与削弱突触的突触,包围了丰富弧表达式。突触数量减少的电弧能够表达更多AMPA受体而增加电弧在邻近的刺少导致这些突触表达AMPA受体。

“我们认为电弧维持突触资源的平衡,“Ip说。“如果出现,必须下降。这是弧的主要作用。”

苏尔说电弧的研究因此解决一个谜:之前没有人明白了为什么弧似乎调节树突突触可塑性,尽管它削弱突触,但是现在答案是明确的。加强突触增加电弧削弱他们的邻居。

苏尔说,规则解释了学习和记忆如何在单个神经元水平工作,因为它显示了一个神经元反复模拟另一个调整。

有空Majewska,神经科学副教授在视觉科学中心大学罗彻斯特说,这项研究的先进方法允许团队完成和重要的新结果。

”,因为很难监控和操纵微小和大量神经元突触连接,大多数的研究一直在进行降低准备用人工刺激使其不清楚确定的机制实际上是在复杂电路中实现该函数在一个大脑对环境做出反应,“Majewska说。”这一新的研究在实验室有很大影响,因为它结合了尖端成像和遗传工具来监控单个突触的功能在一个精美的大脑回应behaviorally-relevant刺激,引起神经反应的变化。

“鉴于这种绝技的方法的结果,我们现在可以这么说,在完整的大脑突触躺在靠近彼此交互期间改变电路功能通过一个机制,涉及的分子级联弧起着关键作用,”她说。”这些信息不仅可以让我们理解神经电路开发和改造在生理环境中,但提供了线索,将重要的识别这些过程如何在各种神经系统疾病出错。”

这篇文章被转载材料所提供的Picower学院,麻省理工学院。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。

参考:
El-Boustani, S。Ip, J。Breton-Provencher, V。诺特,G。Okuno, H。鱼毒木,H。&苏尔,m (2018)。本地协调体内视觉皮层神经元的突触可塑性。科学,360 (6395),1349 - 1354。doi: 10.1126 / science.aao0862