脑机启侦 | 神经元通过稳定的突触区域来保护及保存信息
脑机启侦 | 神经元通过稳定的突触区域来保护及保存信息
图片来源：Courtney Yaeger
大脑最显著的特质之一莫过于它的适应性。神经回路的变化是我们学习的关键，我们在体验世界和与世界互动的过程中不断调整神经回路的连接。但是，为了保持知识和记忆的完整性，神经回路的某些部分必须去抵御这种不断的变化。
麻省理工学院麦戈文大脑研究所研究员、神经科学家马克·哈内特说：“大脑已有在稳定性和灵活性之间取得平衡的办法，这样你就可以同时保持新的学习和终生记忆。”
在发表于Cell Reports杂志上的研究中，哈内特和他的团队展示了单个神经元如何为这一特性做出的贡献。通过研究大脑感觉皮层中锥体神经元进行交流的突触，他们了解到这些细胞是如何保持它们对一些基本特征的理解，同时又是如何保持灵活性以适应不断变化的世界。
视觉连接
锥体神经元通过数千个连接点接收来自其他神经元的输入。在生命的早期，这些突触具有极强的可塑性；当幼小的动物接受视觉信息并学会解读这些信息时，它们的强度会发生变化。大多数突触在成年后仍具有适应性，但哈内特的研究小组发现，当动物不到一个月大时，一些细胞的突触就失去了灵活性。同时拥有稳定和灵活的突触意味着这些神经元可以结合来自不同来源的输入，以灵活处理视觉信息。
博士后考特尼·雅格仔细观察了这些异常稳定的突触，它们沿着精心分枝的锥体细胞的一个狭窄区域聚集在一起。她对细胞接收初级视觉信息的连接很感兴趣，所以她追踪了它们与大脑丘脑视觉处理中心背侧外侧膝状核（dLGN）的神经元的连接。
神经元接收其他细胞信号的长长延伸部分称为树突，它们从细胞主体分支出来，形成树状结构。树突上的刺状突起形成突触，将锥体神经元与其他细胞连接起来。雅格的实验表明，来自 dLGN 的连接都通向锥体细胞的一个确定区域——她称之为树突树干的紧密带。
雅格发现，这一区域的突触（通常称为顶端斜树突域）与同一细胞上的其他突触有几种不同之处。她说：“它们其实差别不大，但却具有完全不同的特性”。
稳定突触
在一组实验中，雅格激活了锥体神经元上的突触，并测量了对细胞电位的影响。神经元电位的变化会产生冲动，细胞借此相互交流。当附近的突触也被激活时，突触的电效应通常会放大。但是，当信号传递到顶端斜树突域时，无论有多少个突触受到刺激，每个信号的效果都是一样的。
研究小组还能将单个突触的分子内容可视化。结果发现，尖斜树突中竟然缺乏某种神经递质受体，即NMDA受体。这一点值得注意，因为NMDA受体在介导大脑变化方面发挥着重要作用。
当雅格用电刺激顶端斜突触，产生能加强大多数突触的活动模式时，研究小组发现了NMDA受体存在数量有限的后果，突触的强度没有变化。雅格说：“就我们的测试结果而言，那里的可塑性并不依赖于活动”。
研究人员称其并非毫无道理，因为来自丘脑的细胞连接传递着眼睛检测到的主要视觉信息，而正是因为有了这些连接，大脑才学会了识别形状和线条等基本视觉特征。
哈内特解释说：“这些突触基本上是这种视觉信息的稳健、高保真读出。”这就是它们所传达的信息，而且不会因为前后情况而发生改变。因此，不管有多少其他突触处于活跃状态，它们只是做着它们自己要做的事情，你无法根据活动前后对它们进行上下修改，所以它们总是处于极度稳定的状态”。
通过在不同年龄的小鼠身上进行同样的实验，研究人员确定，连接锥体神经元和丘脑的突触在小鼠第一次睁开眼睛几周后就会变得稳定。哈内特说，到那时，它们已经学会了所有需要学习的东西。另一方面，如果小鼠在黑暗中度过生命的最初几周，突触就永远不会稳定下来——这进一步证明了过渡取决于视觉经验。
研究小组的发现不仅有助于解释大脑如何平衡灵活性和稳定性，还能帮助研究人员教人工智能如何做同样的事情。哈内特说，“人工神经网络在这方面是出了名的差，当一个做得很好的人工神经网络被训练去做新的事情时，它几乎总是会经历灾难性遗忘，无法再执行原来的任务。”哈内特的团队正在探索如何利用他们所学到的有关真实大脑的知识来克服人工神经网络的这一问题。
新闻来源：Cell Reports