Nature新研究解析百年谜题

　　

生物通报道  大脑是了解最少的人体器官，它包含一个庞大的电兴奋神经元网络，所有神经元通过它们树突上的受体来彼此沟通信息。这些细胞以某种方式协同作用实现人类学习和记忆等壮举。然而其机制是怎样的呢？

研究人员知道树突棘（dendritic spine）发挥了重要的作用。这些微小的膜性结构从树突分支中伸出，遍布整个树突树（dendritic tree），每个神经元上的树突棘可以接收来自平均1000个其他神经元的信号。尽管发现它们已超过百年，然而直到今天其功能仍然只有部分被理解。

来自美国西北大学和霍华德休斯研究所（HHMI）Janelia Farm研究学院的科学家们近日为解开神经元“沟通”机制的谜题添加了一块重要的拼图。研究人员证实树突棘在神经元中充当了电箱（electrical compartment），隔离和放大了突触接收的电信号。

Janelia Farm研究学院采用创新性实验，结合西北大学的计算机模拟技术，测量了遍布树突所有树突棘的电反应，获得了这一研究发现。相关论文发表《自然》（Nature）杂志上。

“这项研究的结果表明树突棘反应和加工的不是突触的化学输入信号，而是电输入信号，”论文的共同作者、温伯格艺术与科学学院神经生物学教授、西北大学工程科学与应用数学教授William Kath说。

树突棘具有各种形状，但通常在颈部末端包含一个球状棘。每个棘头包含一个或两个突触，位置非常接近另一神经元的轴突。

科学家已经知道了树突棘的一些化学特性：其表面的受体可对其他神经元释放的谷氨酸和甘氨酸等大量神经递质做出反应。然而由于树突棘小到令人难以置信，约只有人类头发直径1/100，使得很难研究它的电特性。

在本研究中，HHMI Janelia Farm研究学院的研究人员采用三种实验性技术评估了大鼠海马中树突棘的电特性。海马是在记忆和空间导航中起重要作用的大脑区域。首先，研究人员利用两个微型电极施以电流，测量了遍布树突不同位点树突棘的电压反应。

他们还采用一种称作“谷氨酸释放”（glutamate uncaging）的技术引发了来自特异突触的电反应，就好像突触刚刚接收到来自邻近神经元的一个信号一样。在第三阶段，他们则利用了一种钙敏感染料，将其注入到神经元中，通过光学检测树突棘中的电压改变。

西北大学的研究人员采用真实神经元计算机模型（由相同类型的大鼠神经元重建）构建了神经元的三维信息，精确描述了每个树突的位置、直径和电特性。计算机模拟与实验结果相一致，表明遍布树突的所有树突棘的电阻是一致的，与它们所在树突树的位置无关。

虽然要完全了解大脑还需要开展许多的研究工作，了解有关树突棘电处理的知识有可能推动阿尔茨海默氏症和亨廷顿氏病等疾病的治疗。

“大脑比我们构建的任何计算机都要复杂得多，了解它的运作机制推动的有可能不仅是医学领域，还有我们从未考虑到的领域。我们可能学会如何加工信息，以我们现在只能猜测的各种方式，” Kath说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Synaptic amplification by dendritic spines enhances input cooperativity

Dendritic spines are the nearly ubiquitous site of excitatory synaptic input onto neurons1, 2 and as such are critically positioned to influence diverse aspects of neuronal signalling. Decades of theoretical studies have proposed that spines may function as highly effective and modifiable chemical and electrical compartments that regulate synaptic efficacy, integration and plasticity3, 4, 5, 6, 7, 8. Experimental studies have confirmed activity-dependent structural dynamics and biochemical compartmentalization by spines9, 10, 11, 12. However, there is a longstanding debate over the influence of spines on the electrical aspects of synaptic transmission and dendritic operation3, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Here we measure the amplitude ratio of spine head to parent dendrite voltage across a range of dendritic compartments and calculate the associated spine neck resistance (Rneck) for spines at apical trunk dendrites in rat hippocampal CA1 pyramidal neurons. We find that Rneck is large enough (~500 MΩ) to amplify substantially the spine head depolarization associated with a unitary synaptic input by ~1.5- to ~45-fold, depending on parent dendritic impedance. A morphologically realistic compartmental model capable of reproducing the observed spatial profile of the amplitude ratio indicates that spines provide a consistently high-impedance input structure throughout the dendritic arborization. Finally, we demonstrate that the amplification produced by spines encourages electrical interaction among coactive inputs through an Rneck-dependent increase in spine head voltage-gated conductance activation. We conclude that the electrical properties of spines promote nonlinear dendritic processing and associated forms of plasticity and storage, thus fundamentally enhancing the computational capabilities of neurons19, 20, 21.