科学家有望揭开大脑的奥秘!

2020年9月23日 16:04:34 来源: 生物谷
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  近日,一项刊登在国际杂志Nature Communications上题为“A spike-timing-dependent plasticity rule for dendritic spines”的研究报告中,来自蒙特利尔大学等机构的科学家们通过研究揭开了隐藏在机体记忆和学习能力背后的分子机制,尤其是大脑如何处理、存储和整合信息的。文章中,研究人员分析了在突触可塑性过程中树突棘的功能和形态转变,树突棘是位于神经元分支上的微小突起,其被认为是大脑学习和记忆背后的基础机制。

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  研究者Araya表示,我们非常激动,因为这是我们第一次发现突触可塑性的规则,其是一个与大脑记忆形成直接相关的过程,通过这种方式,研究人员就能很好地理解可塑性以及当大脑皮层中的神经元接收单一或多种感觉信息流时,记忆是如何形成的。大脑由数十亿个能够兴奋的神经元细胞组成,神经元细胞专门负责通信和信息处理过程;研究者指出,想象一下树,树根以轴突为代表,中央树干则以细胞体为代表,外围分支以树突为代表,最后树叶则以树突棘为代表,这些成千上万的小叶子充当了从其它细胞接收兴奋性信息的通道,其会决定是否这些信息足够重要,以至于能被放大并传播到其它神经元细胞中。

  图片来源:Pixabay/CC0 Public Domain

  这是一个关键概念,在信息处理、整合和储存过程中,记忆和学习过程或许也是如此;树突棘作为神经元之间的接触区,其能接收不同强度的信息输入,如果信息的输入是持续性的,那么神经元放大“音量”的机制就会被触发,从而就能帮助听到那个特定的信息;否则,低音量的信息就会被进一步调低,从而就不会被注意到了,这种现象对应于突触的可塑性,其涉及到突触输入强度的增加或降低。

  研究者指出,这是时间依赖性的可塑性的基本法则,或者说是放电时序依赖可塑性(STDP),其能调节大脑中神经元之间的连接强度,被认为有助于促进大脑记忆和学习过程。尽管有研究报告指出了这种现象以及神经元之间是如何进行连接的,但树突棘的精确结构组装及其控制突触可塑性的规则,目前研究人员并不清楚。如今研究人员成功揭示了STDP背后的分子机制。直到现在,并没有人清楚突触的信息输入是如何在神经树中进行排列的,也没有人知晓究竟是什么原因导致树突棘增加或减少其信息传递的强度,而研究者的目标就是提取负责在大脑中建立记忆的突触连接规则。

  这项研究中,研究人员采用了幼年阶段的临床前模型进行研究,而这一时期是大脑学习和记忆的关键时期;他们利用双光子显微镜中的先进技术来模拟两个神经元之间的突触接触,从而就发现了一种与树突棘所接收的信息排列相关的重要规律。研究结果表明,根据所接收到的输入信息的数量及其接近程度,这些信息就会以不同的方式进行储存;研究者表示,作为其它神经元信息输入的主要接受者,树突棘的结构和功能往往对神经变性疾病的发生直接相关,比如脆性X染色体综合征或自闭症等,因为患者无法适当地进行信息的加工和储存,这或许就会破坏患者大脑记忆构建的逻辑,如今,通过理解树突棘动态学背后的分子机制,以及其如何影响神经系统的功能,研究人员就能开发出更好的适应性治疗手段。

  【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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