本文与 MIT News合作发布。
当大脑形成记忆或学习新任务时，它会通过调整神经元之间的连接来编码新信息。麻省理工学院的神经科学家发现了一种新机制，该机制有助于增强这些连接，即所谓的突触。
在每个突触处，突触前神经元会向一个或多个突触后接收细胞发送化学信号。在以往关于这些连接如何演变的大多数研究中，科学家关注的是突触后神经元的作用。然而，麻省理工学院的研究团队发现，突触前神经元同样会影响连接强度。
“我们在突触前一侧发现的这一机制，为我们理解突触如何变化增添了一种新工具，”麻省理工学院生物学系及脑与认知科学系教授、Picower学习与记忆研究所成员、该研究的资深作者Troy Littleton说。该研究发表于11月18日出版的《 Neuron》。
进一步了解突触如何改变其连接，可能有助于科学家更好地理解自闭症等神经发育障碍，因为许多与自闭症相关的基因改变都位于编码突触蛋白的基因中。
Richard Cho是Picower研究所的研究科学家，也是该论文的第一作者。
大脑的重新布线
神经科学领域最大的问题之一，是大脑如何根据不断变化的行为条件重新连接自身，这种能力被称为可塑性。这一能力在早期发育阶段尤为重要，并会随着大脑学习和形成新记忆而贯穿一生。
过去30年间，科学家发现，突触后细胞接收到强烈输入时，会将更多神经递质受体转运至其表面，从而放大其从突触前细胞接收到的信号。这一现象称为长时程增强（LTP），发生于对突触进行持续的高频刺激之后。长时程抑制（LTD）则是由极低频刺激引起的突触后反应减弱，可能在这些受体被移除时发生。
科学家较少关注突触前神经元在可塑性中的作用，部分原因在于其更难研究，Littleton说。
他的实验室花费数年时间厘清突触前细胞如何响应被称为动作电位的电活动尖峰而释放神经递质。当突触前神经元感知到携带动作电位电冲击的钙离子内流时，储存神经递质的囊泡会与细胞膜融合，并将其内容物释放到细胞外，在那里它们与突触后神经元上的受体结合。
突触前神经元在没有动作电位的情况下也会释放神经递质，这一过程称为自发释放。这些“微小事件（minis）”此前被认为是大脑中出现的噪声。然而，Littleton和Cho发现，微小事件可以被调节，从而推动突触结构可塑性。
为了研究突触如何被增强，Littleton和Cho研究了果蝇中一种称为神经肌肉接头的突触类型。研究人员在短时间内用一系列快速的动作电位刺激突触前神经元。正如预期的那样，这些细胞与动作电位同步释放神经递质。然而，令他们惊讶的是，研究人员发现，在电刺激结束很久之后，微小事件仍被大幅增强。
“大脑中的每个突触都在释放这些微小事件，但人们在很大程度上忽略了它们，因为它们只会在突触后细胞中引发极少量的活动，”Littleton说。“当我们对这些神经元施加强烈的活动脉冲时，这些通常频率很低的微小事件突然增多，并在几分钟内保持升高，之后才逐渐下降。”
突触生长
微小事件的增强似乎促使突触后神经元释放一种尚未确定的信号因子，该因子会回传至突触前细胞并激活一种称为PKA的酶。这种酶与一种称为复合素（complexin）的囊泡蛋白相互作用，复合素通常起着制动器的作用，夹住囊泡以防止神经递质在需要之前被释放。PKA的刺激使复合素发生改变，从而松开对神经递质囊泡的束缚，产生微小事件。
当这些小包神经递质以更高的速率释放时，它们有助于刺激突触前和突触后神经元之间新连接的生长，这些新连接称为突触小体（boutons）。这使突触后神经元对突触前神经元未来的任何信号都更加敏感。
“通常每个细胞有70个左右的这类突触小体，但如果刺激突触前细胞，就能非常迅速地长出新的突触小体。这会使形成的突触数量翻倍，”Littleton说。
研究人员在果蝇幼虫发育期间观察了这一过程，该阶段持续三到五天。然而，Littleton和Cho证明，突触功能的急性变化也可能在发育期间导致突触结构可塑性。
“突触前末端的机制可以以非常急性的方式被修改，从而驱动某些形式的可塑性。这不仅在发育过程中可能非常重要，在学习和记忆等行为过程中、突触变化可能发生的更成熟状态下也同样重要，”Cho说。
未参与该研究的Wayne State University School of Medicine神经病学教授Maria Bykhovskaia表示，这项研究意义重大，因为它是首批揭示突触前神经元如何促成可塑性的研究之一。
“人们早已知道神经连接的生长由活动决定，但具体发生了什么并不十分清楚，”Bykhovskaia说。“他们出色地利用了 Drosophila 来确定分子通路。”
Littleton的实验室目前正在进一步探究复合素如何控制囊泡释放的机制细节。
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作者：Anne Trafton为MIT News撰稿。
图片：一名中国女孩在上海科技馆展示的巨大大脑模型前参观。REUTERS/Claro Cortes IV