Nature：麻省理工学院的科学家在成人大脑中发现了数百万个“沉默突触”

麻省理工学院的神经科学家发现了隐藏在成人大脑中的一个惊人秘密：数百万个“沉默的突触”，也就是“休眠的连接”，它们在等待着新的学习让它们行动起来。这些不活跃的连接曾被认为只存在于发育早期，但它们在成人皮层中约占突触的30%，可以迅速激活形成新的记忆。

　　

麻省理工学院的神经科学家发现了成人大脑的一个惊人特征。它包含数以百万计的“沉默突触”，这是神经元之间未成熟的连接，直到需要它们帮助形成新的记忆时才会保持不活跃。

多年来，科学家们一直认为这些沉默的突触只存在于早期发育阶段，当时大脑正在迅速了解世界。但麻省理工学院的研究小组发现，在成年小鼠中，大脑皮层中大约30%的突触仍然是沉默的。这表明，成年人的大脑中有大量未使用的连接，当新信息到来时，这些连接可以被激活。

研究人员说，这种隐藏的突触池可以解释大脑如何在不破坏现有记忆的情况下继续学习。

这些沉默的突触正在寻找新的连接，当重要的新信息出现时，相关神经元之间的连接就会加强。这项研究的主要作者，麻省理工学院的研究生Dimitra Vardalaki说：“这让大脑创造新的记忆，而不会覆盖储存在成熟突触中的重要记忆，而成熟突触更难改变。”

大脑和认知科学副教授Mark Harnett是这篇发表在《自然》杂志上的论文的资深作者。

重新思考记忆如何在成人大脑中工作

沉默突触在几十年前首次被发现，主要是在年轻的动物身上。在早期发育阶段，它们被认为可以帮助大脑吸收大量关于环境的新信息。在老鼠身上，科学家认为这些突触在大约12天的时候就消失了（相当于人类生命的最初几个月）。

然而，一些研究人员怀疑他们可能会持续到成年。对成瘾的研究提供了线索，成瘾通常被认为是一种适应不良的学习形式。这些研究暗示，沉默突触可能会在成人大脑中重新出现或保留。

神经科学家Stefano Fusi和Larry Abbott的理论研究也表明，大脑需要灵活和稳定的突触。有些连接必须很容易改变以支持新的学习，而另一些必须保持稳定以保持长期记忆。

利用先进成像技术的偶然发现

麻省理工学院的研究小组最初并没有寻找沉默突触。他们在之前的研究中发现，树突（神经元的分支状延伸）在不同的位置处理不同的信号。

为了进一步探索这一点，研究人员使用一种称为eMAP（蛋白质组表位保存放大分析）的技术测量了沿树突的神经递质受体。这种方法在物理上扩展了脑组织，使科学家能够标记蛋白质并以极高的细节观察它们。

在成像过程中，研究人员注意到了一些意想不到的事情。

“我们看到的第一件事是，非常奇怪，我们没有想到，到处都是丝状足，”Harnett说。

丝状足是从树突延伸出来的微小突起。虽然以前已经观察到它们，但它们的功能尚不清楚，因为它们很小，很难用传统工具研究。

丝状足和沉默突触的特征

利用eMAP技术，研究小组发现，成年小鼠大脑的多个区域，包括视觉皮层，丝状足的水平远远高于之前报道的水平。这些结构含有NMDA受体，但缺乏AMPA受体。

这个细节至关重要。活跃的突触通常有两种受体类型，它们一起工作，利用神经递质谷氨酸传递信号。NMDA受体在正常情况下不能单独传递电信号，因为它们被镁离子阻断。没有AMPA受体，这些连接在电上保持不活跃，这就是为什么它们被称为“沉默”的原因。

开启沉默突触

为了测试这些丝状足是否具有沉默突触的功能，研究人员使用了一种改进的贴片夹紧技术。这使他们能够在模拟谷氨酸释放的同时测量单个丝状足的电活动。

他们发现，只有通过实验解除NMDA受体的阻断，谷氨酸才会单独产生信号。这提供了强有力的证据，证明这些结构的行为就像沉默的突触。

该团队随后证明，激活或“解除沉默”这些连接是可能的。通过将谷氨酸释放与来自神经元的电信号配对，AMPA受体在突触上积累。这就把沉默的连接变成了一个能够传输信号的功能齐全的连接。

重要的是，这个过程比修改已经活跃的突触要容易得多。

“如果你从一个已经有功能的突触开始，可塑性协议就不起作用了，”Harnett说。“成人大脑中的突触有一个更高的阈值，大概是因为你希望这些记忆相当有弹性。您不希望它们经常被覆盖。另一方面，丝状伪足可以被捕捉来形成新的记忆。”

既灵活又稳定的大脑

这些发现支持了这样一种观点，即大脑通过保持高度适应性突触的储备来平衡灵活性和稳定性。

“据我所知，这篇论文是第一个真正证明哺乳动物大脑是这样工作的，”Harnett说。“丝状线”允许记忆系统既灵活又健壮。你需要灵活性来获取新信息，但你也需要稳定性来记住重要的信息。

这对衰老和大脑健康意味着什么

研究人员现在正在调查人类大脑中是否存在类似的沉默突触。他们还想了解这些连接是如何随着年龄或神经系统疾病而变化的。

“完全有可能的是，通过改变你记忆系统的灵活性，改变你的行为和习惯或吸收新信息会变得更加困难，”Harnett说。你也可以想象找到一些与丝状伪足有关的分子，并试图操纵其中的一些东西，试图随着年龄的增长恢复灵活的记忆。

最近的神经科学研究继续探索突触可塑性如何支持终身学习。对衰老大脑的研究表明，突触灵活性的降低可能会导致记忆力下降，而对阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的研究则指出突触形成和功能的破坏。也有越来越多的兴趣瞄准突触机制，以提高认知弹性和学习能力以后的生活。

总之，这些发现描绘了一幅大脑的图景，它比我们曾经认为的要活跃得多。而不是固定的，它似乎保持着一个隐藏的запас连接，准备在新的体验需要它时被激活。