科學家有望揭開大腦的奧秘!

2020-12-05 生物谷

2020年9月23日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，一項刊登在國際雜誌Nature Communications上題為「A spike-timing-dependent plasticity rule for dendritic spines」的研究報告中，來自蒙特婁大學等機構的科學家們通過研究揭開了隱藏在機體記憶和學習能力背後的分子機制，尤其是大腦如何處理、存儲和整合信息的。文章中，研究人員分析了在突觸可塑性過程中樹突棘的功能和形態轉變，樹突棘是位於神經元分支上的微小突起，其被認為是大腦學習和記憶背後的基礎機制。

研究者Araya表示，我們非常激動，因為這是我們第一次發現突觸可塑性的規則，其是一個與大腦記憶形成直接相關的過程，通過這種方式，研究人員就能很好地理解可塑性以及當大腦皮層中的神經元接收單一或多種感覺信息流時，記憶是如何形成的。大腦由數十億個能夠興奮的神經元細胞組成，神經元細胞專門負責通信和信息處理過程；研究者指出，想像一下樹，樹根以軸突為代表，中央樹幹則以細胞體為代表，外圍分支以樹突為代表，最後樹葉則以樹突棘為代表，這些成千上萬的小葉子充當了從其它細胞接收興奮性信息的通道，其會決定是否這些信息足夠重要，以至於能被放大並傳播到其它神經元細胞中。

圖片來源：Pixabay/CC0 Public Domain

這是一個關鍵概念，在信息處理、整合和儲存過程中，記憶和學習過程或許也是如此；樹突棘作為神經元之間的接觸區，其能接收不同強度的信息輸入，如果信息的輸入是持續性的，那麼神經元放大「音量」的機制就會被觸發，從而就能幫助聽到那個特定的信息；否則，低音量的信息就會被進一步調低，從而就不會被注意到了，這種現象對應於突觸的可塑性，其涉及到突觸輸入強度的增加或降低。

研究者指出，這是時間依賴性的可塑性的基本法則，或者說是放電時序依賴可塑性（STDP），其能調節大腦中神經元之間的連接強度，被認為有助於促進大腦記憶和學習過程。儘管有研究報告指出了這種現象以及神經元之間是如何進行連接的，但樹突棘的精確結構組裝及其控制突觸可塑性的規則，目前研究人員並不清楚。如今研究人員成功揭示了STDP背後的分子機制。直到現在，並沒有人清楚突觸的信息輸入是如何在神經樹中進行排列的，也沒有人知曉究竟是什麼原因導致樹突棘增加或減少其信息傳遞的強度，而研究者的目標就是提取負責在大腦中建立記憶的突觸連接規則。

這項研究中，研究人員採用了幼年階段的臨床前模型進行研究，而這一時期是大腦學習和記憶的關鍵時期；他們利用雙光子顯微鏡中的先進技術來模擬兩個神經元之間的突觸接觸，從而就發現了一種與樹突棘所接收的信息排列相關的重要規律。研究結果表明，根據所接收到的輸入信息的數量及其接近程度，這些信息就會以不同的方式進行儲存；研究者表示，作為其它神經元信息輸入的主要接受者，樹突棘的結構和功能往往對神經變性疾病的發生直接相關，比如脆性X染色體症候群或自閉症等，因為患者無法適當地進行信息的加工和儲存，這或許就會破壞患者大腦記憶構建的邏輯，如今，通過理解樹突棘動態學背後的分子機制，以及其如何影響神經系統的功能，研究人員就能開發出更好的適應性治療手段。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

【1】Sabrina Tazerart， Diana E Mitchell， Soledad Miranda-Rottmann， et al. A spike-timing-dependent plasticity rule for dendritic spines， Nat Commun. 2020 Aug 26；11(1)：4276. doi：10.1038/s41467-020-17861-7.

【2】Unlocking the mysteries of the brain

by University of Montreal

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