在使用双光子显微镜拍摄的海马神经元的显微照片上可见树突棘。图片来源：Anna Hobbiss
大脑允许有机体学习和适应周围环境。它通过字面改变神经元之间的连接或突触，加强有意义的神经活动模式以存储信息来实现这一点。这种过程 – 脑可塑性 – 的存在已经有一段时间了。
但实际上，在突触上有两种不同类型的大脑可塑性。一个是“Hebbian可塑性”; 以先驱神经科学家Donald Hebb命名，它有效地允许在突触中记录信息。最近发现的另一种是稳态突触可塑性（HSP），和其他稳态过程一样，例如维持恒定的体温，其目的是保持稳定。在这种情况下，HSP确保大脑不会产生过多的活动（如癫痫病例）或过于安静（伴随着阿尔茨海默病中突触的丧失）。
然而，关于这两种类型的可塑性如何在大脑中实际相互作用知之甚少。现在，位于葡萄牙里斯本的Champalimaud未知中心的神经科学家团队已经开始解开两种机制重叠时突触发生的基本过程。他们的结果发表在iScience期刊上。
“从理论上讲，这两种可塑性充当了对立的力量，”由Inbal Israely领导的新研究的第一作者Anna Hobbiss说。“Hebbian可塑性通过诱导它们变强来对突触的活动做出反应，而HSP通过使它们变弱来对它做出反应。我们希望在细胞和分子水平上理解当它们存在时突触如何处理这两种力量。同时。”
在这样做时，作者已经表明，与预期相反，HSP促进了Hebbian的可塑性，从而影响记忆的形成和学习。这意味着这两种类型的可塑性“实际上可能不是这种不同的过程，而是在相同的突触中共同作用，”Israely说。
该团队的目标是确定称为树突棘的微小结构的大小变化，这是突触的“接收端”。这些刺的大小改变以反映突触连接的强度。
研究人员研究了小鼠海马细胞，这是大脑中对学习至关重要的一部分。在他们的实验中，他们通过引入一种叫做河豚毒素的强效神经毒素来阻断细胞内的活动，从而模拟大脑某一部分的输入损失。“想想一个人突然失明，导致眼睛输入到大脑的输入，”霍比斯说。
48小时后，他们通过在单个神经元的单个棘刺上释放几个谷氨酸分子，模仿仅一个突触的小活动恢复。这是可能的，这要归功于一种非常高分辨率的，最先进的激光技术，称为双光子显微镜，这使得科学家可以非常精确地观察和定位单个树突棘。
随着这个过程的发展，团队密切关注刺的发生情况 – 他们看到了各种解剖变化。首先，所有神经活动的沉默使得脊柱的大小增加。霍宾斯解释说：“刺是像小麦克风一样，当沉默时，它会增加‘音量‘以试图捕捉到最微弱的噪音。”
然后科学家用谷氨酸脉冲激活个体脊柱并观察它们两个小时。他们认为可能发生的事情之一是刺的大小不会进一步增长，因为他们已经调高了他们的“音量”。但相反的情况发生了：刺刺增长更多，小刺刺显示出最大的增长。
最后，作者还看到邻近刺的增长，尽管实验仅针对一个脊柱。“我们发现，在缺乏活动后，附近的其他刺也会增长，进一步增强细胞对恢复神经传递的敏感性，”霍布斯说。“细胞变得更敏感，更容易编码信息。就好像已经出现‘增益‘。”
“邻近的脊柱与活跃的脊柱一起生长的事实表明，稳态可塑性改变了信息存储的标志性特征之一，即可塑性仅限于信息输入的位置，”Israely解释说。“因此，从这个意义上说，神经元中不同的可塑性机制可以合作改变哪些和多少输入响应刺激。我认为这是我们研究的一个令人兴奋的发现。”
总之，这些结果表明，稳态可塑性实际上可以提升Hebbian可塑性，这是存储信息所需的类型。“我们的工作为大脑如何完成其基本任务之类的难题增加了一块：能够在保持稳定水平的活动的同时对信息进行编码，”Hobbiss总结道。
稳态可塑性的失调 – 稳定可塑性 – 开始涉及人类健康，特别是神经发育障碍，如脆性X综合征和雷特综合征以及神经退行性疾病，如阿尔茨海默病。“也许这种平衡使我们能够在保持一生的稳定性的同时学习新信息，”Israely说。
进一步探索：
反复刺激扩大树突棘
更多信息：
Anna Felicity Hobbiss等。稳态可塑性量表树突脊柱体积和改变Hebbian可塑性的阈值和特异性，iScience（2018）。DOI：10.1016 /
j.isci.2018.09.015
由…提供：
Champalimaud未知中心
263