Science揭示神经可塑性新层面

大脑是一种极具灵活性及适应性的学习工具。数十年来，研究人员都知道这种可塑性是源自选择性的突触增强。现在，来自斯坦福大学医学院的研究人员证实大脑可塑性也来自于另一种机制：一些绝缘神经纤维使得它们变得更高效的细胞发生了活动依赖性的改变。这些细胞形成了称作为髓磷脂（myelin）的特化绝缘物质。

　　

生物通报道  大脑是一种极具灵活性及适应性的学习工具。数十年来，研究人员都知道这种可塑性是源自选择性的突触增强（延伸阅读：Neuron：解密食欲的神经学根源 ）。现在，来自斯坦福大学医学院的研究人员证实大脑可塑性也来自于另一种机制：一些绝缘神经纤维使得它们变得更高效的细胞发生了活动依赖性的改变。这些细胞形成了称作为髓磷脂（myelin）的特化绝缘物质。

“髓磷脂可塑性是一种有趣的观点，或许可帮助解释大脑响应经验或训练发生适应的机制，”论文的资深作者、神经病学和神经科学助理教授Michelle Monje博士说。

研究人员将他们的研究结果描述在4月10日的《科学》（Science）杂志上。

Monje说：“这些研究结果表明了一种基于髓磷脂的神经可塑性形式，未来针对负责分子机制的相关研究有可能最终阐明广泛的神经和精神疾病。”

髓磷脂绝缘神经纤维是沿着长神经纤维快速传送神经冲动的必要条件，髓磷脂是由包绕着神经元的少突胶质细胞形成。这一绝缘髓鞘结构发生微小的变化，例如其厚度发生改变，都可以极大地影响神经冲动的传导速度。例如多发性硬化症一类的脱髓鞘疾病可攻击这些细胞，降低神经传送，尤其是长距离的神经传送。

髓磷脂绝缘的神经纤维构成了大脑的“白质”。“如果你将大脑的基本结构视作是一座城市，白质就像连接一个地方和另一个地方的道路和高速公路，”Monje说。

在这一研究中，Monje和同事们证实神经活动促进了少突胶质前体细胞增殖及分化为形成鞘磷脂的少突胶质细胞。神经活动还导致活化神经回路内部的髓鞘厚度增高，使得沿神经纤维传送信号变得更为高效。这就像改善使用率高的车道的交通流。作为一种运输系统，改造使用率最高的线路会使得整个系统变得更为有效。

近年来，研究人员发现了一些线索表明神经细胞活动有可能促进了髓磷脂绝缘物生长。有研究表明经历和髓磷脂动态之间存在关联，对培养皿中的分离细胞展开研究表明神经元活动与髓鞘形成之间有关联。但一直没有办法证实神经元活动直接引起了完整大脑中的髓磷脂改变。“你不能真实地将电极植入大脑中来解答这一问题，因为由此造成的损伤会改变细胞的行为，”Monje说。

一种称之为光遗传学的新技术提供了解决方案。科学家们将编码一种感光离子通道的基因插入到一群特异的神经元中。当暴露于特殊波长的光线下时这些神经元会产生神经冲动。在这项研究中，Monje和同事们利用了大脑运动控制区域具有感光离子通道的小鼠。通过开关光线，科学家们能够启动和关闭某些运动行为。由于光线会从大脑表面的光源处向下散播至研究的神经元处，无需将探针直接插入神经元附近，因此不会造成损伤。

通过用光线直接刺激神经元，研究人员证实是神经元活化促进了髓鞘形成细胞做出反应。

进一步的研究有可能揭示出神经元活动促进少突胶质前体细胞增殖、成熟以及髓鞘动态改变的机制。这样的分子认识有可能帮助研究人员开发出一些治疗策略促进髓鞘退化疾病，如多发性硬化症、脑白质营养不良症和脊髓损伤的髓鞘修复。

“反过来，当这些细胞的生长失去调控时又是怎样促成疾病的？”Monje说。Monje的一个特别兴趣领域是称作为弥漫性脑桥胶质瘤(diffuse intrinsic pontine glioma, DIPG)的儿童脑癌。这种癌症通常发生于5-9岁的儿童，且必然导致死亡。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Neuronal Activity Promotes Oligodendrogenesis and Adaptive Myelination in the Mammalian Brain

Myelination of the central nervous system requires the generation of functionally mature oligodendrocytes from oligodendrocyte precursor cells (OPC). Electrically active neurons may influence OPC function and selectively instruct myelination of an active neural circuit. Here, we use optogenetic stimulation of premotor cortex in awake, behaving mice to demonstrate that neuronal activity elicits a mitogenic response of neural progenitor cells and OPCs, promotes oligodendrogenesis and increases myelination within the deep layers of the premotor cortex and subcortical white matter. We further show that this neuronal activity-regulated oligodendrogenesis and myelination is associated with improved motor function of the corresponding limb. Oligodendrogenesis and myelination appear necessary for the observed functional improvement, as epigenetic blockade of oligodendrocyte differentiation and myelin changes prevents the activity-regulated behavioral improvement.