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文章來源：“環球科學” （id：huanqiukexue）

撰文：Anne Trafton｜編譯：鄭添惺｜審校：clefable

△ 人腦圖（來源：Unslpash）

麻省理工學院（MIT）的一些神經科學家發現，成年的大腦中含有數百萬個“靜默突觸”（silent synapses）。

它們是神經元之間未成熟的神經突觸，長期處于非活躍狀態。

直到這些突觸被招募參與形成新記憶時，它們才會被激活。

此前，科學界一直認為靜默突觸僅出現在人類發育的早期階段。

在生命早期階段，它們有助于大腦學習接觸到的新信息，促進神經通路的形成和完善。

不過麻省理工學院的這項研究發現，在成年小鼠的大腦皮層中，約30%的神經突觸處于靜默狀態。

研究人員表示，這些靜默突觸的存在可能解釋了成年人大腦為何能在不改變已有神經突觸的情況下，持續生成新記憶和學習新事物。

“這些靜默突觸時刻尋找著新的連接。當重要的新信息出現時，相關神經元之間的連接就會被加強。

這種模式允許大腦在創造新記憶的同時，不會覆蓋已儲存在成熟神經突觸中的重要記憶。

改變成熟的神經突觸比改變靜默突觸更難。”麻省理工學院研究生、研究的主要作者Dimitra Vardalaki說道。

這篇論文發表在《自然》（Nature）雜志上，其資深作者是大腦與認知科學副教授Mark Harnett。麻省理工學院的化學工程副教授Kwanghun Chung也是作者之一。

01

一個驚人的發現

幾十年前，科學家首次發現靜默突觸時，它們主要存在于幼年小鼠和其他動物的大腦中。

在這些動物發育的早期，這些突觸被認為能幫助它們獲取大量需要了解的信息，包括環境信息，以及如何與周圍環境互動。

小鼠研究顯示，這些靜默突觸在它們出生約12天后（相當于人類出生后的第一個月）就會消失。

然而，一些神經科學家提出，靜默突觸的存在可能會一直持續到成年，促進新記憶的形成。

研究人員在成癮（被認為是一種異常學習障礙）動物模型中，找到了這方面的證據。

因為成年人仍然具有神經可塑性和靈活學習的能力，這表明新連接的形成很普遍。

△ 脊髓運動神經元（來源：Unslpash）

美國哥倫比亞大學（Columbia University）的Stefano Fusi和Larry Abbott一直在從事該領域的理論研究。

他們也認為，神經元必定擁有各種不同的可塑性機制，這樣才能解釋大腦為何既能有效地學習新事物，又能將它們保存在長期記憶中。

在這種情況下，一些突觸必須易于構建或改變，才能形成新記憶；而另一些突觸則必須保持穩定的狀態，才能保存長期記憶。

在研究中，Harnett領導的研究團隊并沒有專門去尋找靜默突觸。相反，他們是在跟進實驗室此前研究中的一個有趣發現時，才有了這些新發現。

他們發現，在單個神經元中，樹突（神經元從胞體發出的、類似天線的細長突起）可以根據其位置以不同的方式處理突觸輸入。這些差異可能有助于神經元整合各種輸入并產生適當的反應。

作為研究的一部分，研究人員嘗試測量了不同樹突分支上的神經遞質受體，以探究是否有助于解釋它們的行為差異。

為此，他們使用了一種名為 eMAP（抗原表位放大分析蛋白質組）的技術。這項技術由Chung開發。

利用這項技術，研究人員通過物理方法擴展組織樣本，并標記樣本中的特定蛋白質以獲得超高分辨率圖像。

他們在成像過程中，有了一個驚人的發現。“我們最先看到的是到處都是絲狀偽足（Filopodia），這完全在我們的意料之外。”Harnett說。

絲狀偽足此前曾被觀察到過，這是一種從樹突上延伸出的薄膜狀突起，不過神經科學家并不清楚它們的具體功能。部分是由于絲狀偽足非常小，很難利用傳統的成像技術觀測到。

△ 來源：Unslpash

在這次觀察之后，麻省理工學院（MIT）的研究小組開始嘗試利用eMAP技術，在成年小鼠大腦的其他部位尋找絲狀偽足。

令他們驚訝的是，他們在小鼠的視覺皮層和其他腦區，發現了是以往觀察數量10倍的絲狀偽足。

他們還發現，絲狀偽足中存在一種名為NMDA受體的神經遞質受體，而沒有AMPA受體。

一個典型的活躍神經突觸會同時擁有這兩種類型的受體，它們能結合谷氨酸神經遞質。

NMDA受體通常需要與AMPA受體協同作用才能傳遞信號，因為當神經元處于正常的靜息電位時，NMDA受體會被鎂離子阻斷。

因此，當缺少AMPA受體而僅有NMDA受體時，神經突觸是無法傳遞電流的，這種突觸被稱為“靜默突觸”。

02

讓突觸活躍起來

為了探究這些絲狀偽足是否可能是靜默突觸，研究人員使用了一種改良的實驗技術——膜片鉗（patch clamping）。

他們嘗試模仿鄰近神經元釋放谷氨酸，來刺激絲狀偽足，并用膜片鉗技術監測單個絲狀偽足產生的電活動。

利用這項技術，研究人員發現，除非通過實驗解除NMDA受體受到的阻斷，否則即使絲狀偽足接收到谷氨酸的信號輸入，也不會產生任何電信號。

研究人員表示，這為絲狀偽足代表大腦內靜默突觸這一理論，提供了強有力的支持。

研究人員還表明，可以通過聯合谷氨酸釋放和來自神經元胞體的電流，“喚醒”這些靜默突觸。

這種聯合刺激會促使AMPA受體在靜默突觸中積累，并與附近釋放谷氨酸的軸突形成牢固的連接。

△ 20世紀初的人體解剖大腦模型（來源：Unslpash）

他們還發現，將靜默突觸轉變為活躍的突觸比改變成熟突觸容易得多。

“如果你從一個已有功能的突觸著手，這種可塑性的方法就行不通了。”

Harnett說，“成人大腦的突觸閾值更高，這可能為了讓記憶更穩定地被保存下來，而不是被不斷覆蓋。在這種情況下，絲狀偽足可以被利用，有助于形成新的記憶。”

03

“靈活且強大”

研究人員表示，這一發現支持了Abbott和Fusi提出的理論，即成年人的大腦包含高度可塑性的突觸，可以被招募用于形成新的記憶。

“據我所知，這篇文章提供了第一個真正的證據，證明在哺乳動物大腦中確實存在這樣的運作方式。”

Harnett說，“絲狀偽足讓記憶系統兼具靈活性和穩定性。獲取新信息需要靈活性，但保留重要信息需要穩定性。”

研究人員仍然繼續在人類腦組織中尋找靜默突觸的證據。他們還希望研究這些突觸的數量或功能，是否會受到衰老或神經變性疾病等因素的影響。

“這也意味著，我們完全有可能改變記憶系統的靈活性。改變行為習慣或汲取新信息可能會變得更加困難。”

哈內特說，“不過我們可以暢想，如果未來科學家找到了絲狀偽足中的一些分子機制，并嘗試進行操縱，那么即使我們變老了，也有可能有辦法恢復靈活的記憶。”

本文來自微信公眾號“環球科學”（id：huanqiukexue），如需轉載請聯系 newmedia@huanqiukexue.com

[1] https://www.eurekalert.org/news-releases/972600

[2] https://news.mit.edu/2022/dendrites-help-neurons-perform-0217

論文鏈接：

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-022-05483-6