Nature：记忆编码的神经学发现

　　

生物通报道 在加州大学圣克鲁兹分校的研究人员领导下，一项研究揭示了在新记忆过程中大脑线路如何重新连接的详细信息，该研究证实当动物学习执行一项新任务时，大脑细胞间会成簇出现新的突触。这一研究发现在线发表在2月19日的《自然》（Nature）杂志上。

在这篇文章中，研究人员在小鼠学习通过凹槽获取种子这一新行为的过程中对它们进行了研究。研究人员发现在学习的过程中，控制肌肉运动的小鼠大脑运动皮质发生了变化。具体说来，这些变化是紧随着新的“树突棘”——神经元间形成连接（突触）的结构——生长而出现的。

文章的通讯作者、加州大学圣克鲁兹分校分子、细胞和发育生物学系助理教授左轶（Yi Zuo，生物通音译）说：“这是我们第一次观察到记忆编码相关新突触的空间分布情况。”

在此前的研究中，左轶和其他的研究人员曾证实在学习过程中，运动皮质锥体神经元上的新树突棘发生了快速生长。这些树突棘形成突触，通过突触锥体神经元接收其他神经区域发出的与运动记忆和肌肉动作相关的信号。在这篇新文章中，左轶实验室的博士后研究人员、文章的第一作者傅敏（Min Fu，生物通音译）分析了新形成突触的空间分布。

空间分析的初步结果表明有三分之一的新形成突触相互比邻。在学习的过程中，小鼠不断重复执行相同的行为，仅需数天便可形成这些成簇的突触。与那些不成簇的突触比较，在学习期间以及训练终止后成簇的突触更可能持续存在。

此外，研究人员还发现随着第2个成簇树突棘形成，第1个树突棘继续增大。树突棘头的大小与突触的强度密切相关。左轶说：“我们发现第2连接的形成与第1连接的强度密切相关，这表明它们有可能参与了相同的环路。这些突触的簇集有可能起到了放大突触强度的作用。”

该研究的其他数据还表明这些成簇的突触参与的神经环路显示出了学习任务特异性。研究人员让在此前实验中接受训练的小鼠转而完成另一种不同的任务。在这项实验中，小鼠不再被要求抓取种子，而是学习如何处理一份意大利面。研究人员发现两种任务均诱导形成了成簇的树突棘，然而在学习不同任务的过程中形成的树突棘并没有相互簇集在一起。

而在另一项实验中，小鼠则被要求每天接受不同的任务挑战。不同那些一遍又一遍重复相同任务的小鼠，这些小鼠也形成了新树突棘，然而这些新的树突棘却很少簇集在一起。

左轶说：“重复激活相同的皮质环路在学习新任务中起着极其重要的作用。然而最佳的重复频率是什么？最终，通过研究突触形成与学习之间的关系，我们希望找到诱导新记忆形成的最佳途径。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Repetitive motor learning induces coordinated formation of clustered dendritic spines in vivo

Many lines of evidence suggest that memory in the mammalian brain is stored with distinct spatiotemporal patterns1, 2. Despite recent progresses in identifying neuronal populations involved in memory coding3, 4, 5, the synapse-level mechanism is still poorly understood. Computational models and electrophysiological data have shown that functional clustering of synapses along dendritic branches leads to nonlinear summation of synaptic inputs and greatly expands the computing power of a neural network6, 7, 8, 9, 10. However, whether neighbouring synapses are involved in encoding similar memory and how task-specific cortical networks develop during learning remain elusive. Using transcranial two-photon microscopy11, we followed apical dendrites of layer 5 pyramidal neurons in the motor cortex while mice practised novel forelimb skills. Here we show that a third of new dendritic spines (postsynaptic structures of most excitatory synapses) formed during the acquisition phase of learning emerge in clusters, and that most such clusters are neighbouring spine pairs. These clustered new spines are more likely to persist throughout prolonged learning sessions, and even long after training stops, than non-clustered counterparts. Moreover, formation of new spine clusters requires repetition of the same motor task, and the emergence of succedent new spine(s) accompanies the strengthening of the first new spine in the cluster. We also show that under control conditions new spines appear to avoid existing stable spines, rather than being uniformly added along dendrites. However, succedent new spines in clusters overcome such a spatial constraint and form in close vicinity to neighbouring stable spines. Our findings suggest that clustering of new synapses along dendrites is induced by repetitive activation of the cortical circuitry during learning, providing a structural basis for spatial coding of motor memory in the mammalian brain.