研究發現：神經元用特定區域穩定突觸存信息

大腦最爲人所熟知的特質之一便是其適應性。

神經迴路會發生變化，其連接會隨着我們的體驗以及與世界的互動而不斷調整，這是我們學習的關鍵所在。

“大腦已經搞明白瞭如何在穩定性和靈活性之間的這種平衡狀態中應對自如，這樣你就可以有新的學習，也可以有終身記憶，”麻省理工學院麥戈文腦研究所的研究員、神經科學家馬克·哈內特（Mark Harnett）說。

在《細胞報告》發表的研究中，哈內特和他的團隊展示了單個神經元是如何對這種重要的雙重性的兩個方面都發揮作用的。通過研究大腦感覺皮層中的錐體神經元相互交流的突觸，他們瞭解了細胞如何保留對世界上一些最基本特徵的理解，同時又保持適應不斷變化的世界所需的靈活性。

在生命的早期階段，這些突觸極具可塑性；當幼小的動物接收視覺信息並學着去解讀時，它們的強度會有所變化。大多數在成年後仍然具有適應性，但哈內特的團隊發現，當動物不到一個月大時，一些細胞的突觸會失去其靈活性。既有穩定的突觸又有靈活的突觸意味着這些神經元可以結合來自不同來源的輸入，以靈活的方式使用視覺信息。

博士後考特尼·耶格爾（Courtney Yaeger）對這些異常穩定的突觸進行了仔細研究，它們沿着精心分支的錐體細胞的狹窄區域聚集着。她對細胞接收主要視覺信息的連接感興趣，因此她追蹤了它們與大腦丘腦的視覺處理中心——稱爲背外側膝狀核（dLGN）的神經元的連接。

神經元用於接收其他細胞信號的長延伸部分被稱作樹突，它們從細胞主體分支，形成樹狀結構。

沿着樹突的多刺突起構成了將錐體神經元與其他細胞相連接的突觸。

耶格爾（Yaeger）的實驗顯示，來自外側膝狀體核背側部（dLGN）的連接全都通向錐體細胞的一個特定區域——即她所描述的樹突樹樹幹內部的一條緊密帶。

耶格爾發現，在這個正式稱作頂斜樹突域的區域中的突觸，與同一細胞上的其他突觸存在幾種不同之處。“它們實際上彼此距離不遠，但它們具有完全不同的特性，”她說。

在一組實驗中，耶格爾激活了錐體神經元上的突觸，並測量了對細胞電位的影響。神經元電位的變化產生了細胞相互交流所使用的脈衝。當附近的突觸也被激活時，突觸的電效應通常會放大。但是當信號傳遞到頂斜樹突域時，無論刺激了多少突觸，每個突觸都具有相同的效果。

哈內特（Harnett）表示，那裡的突觸根本不會相互產生作用。“它們只是做自己該做的。不管它們的‘鄰居’在做啥，它們都只是做差不多的事。”

該團隊還能夠可視化單個突觸的分子內容。這揭示出頂斜樹突中令人驚訝地缺少一種名爲 NMDA 受體的神經遞質受體。這一點值得注意，因爲 NMDA 受體在介導大腦變化方面發揮着作用。

“一般來說，當我們想到任何一種學習、記憶和可塑性時，都是 NMDA 受體在起作用，”哈內特說。“這是迄今爲止所有大腦中學習和記憶最爲常見的基礎條件。”

當耶格爾對頂斜突觸進行電刺激，產生能夠強化大多數突觸的活動模式時，該團隊發現了 NMDA 受體有限存在的一個後果。突觸的強度沒有改變。“就我們所測試的而言，那裡沒有依賴活動的可塑性，”耶格爾說。

研究人員表示，這是合乎情理的，因爲細胞與丘腦的連接傳遞了眼睛檢測到的主要視覺信息。正是通過這些連接，大腦學會識別基本的視覺特徵，如形狀和線條。

“這些突觸基本上是對這種視覺信息的強大、高保真讀取，”哈內特解釋道。

“這就是它們所傳遞的信息，並且它並非對上下文敏感。”

所以，無論有多少其他突觸處於活躍狀態，它們都只是確切地做自己該做的，而且你無法依據活動情況對其進行上下調節。因此，它們極其穩定。

“實際上，你不希望這些突觸是可塑的，”耶格爾補充道。

“試想，你能想象去睡覺然後忘記垂直線是什麼樣子嗎？那將是災難性的。”

通過在不同年齡的小鼠中進行相同的實驗，研究人員得出結論，連接錐體神經元和丘腦的突觸在幼鼠首次睜開眼睛幾周後變得穩定。

哈內特表示，到那個時候，它們已經學會了所需的一切。

另一方面，如果小鼠在生命的最初幾周處於黑暗中，突觸始終無法穩定——進一步證明這種轉變取決於視覺體驗。

該團隊的發現不僅有助於解釋大腦如何平衡靈活性和穩定性，它們還可以幫助研究人員指導人工智能如何做同樣的事情。

哈內特說，人工神經網絡在這方面表現得極爲糟糕：當一個表現良好的人工神經網絡被訓練去做新的事情時，它幾乎總是經歷“災難性遺忘”，並且不再能夠執行其原始任務。

哈內特的團隊正在探索如何藉助他們對真實大腦的認識來克服人工網絡中的這個問題。