神经元连接的奥秘：重塑双眼视觉的动态过程
视觉，作为我们感知世界的重要方式，并非与生俱来，而是在生命早期通过经验不断塑造的。近日，麻省理工学院（MIT）皮考尔学习与记忆研究所的一项突破性研究，以前所未有的方式揭示了大脑视觉系统在发育过程中如何精细地调整神经元连接，以实现双眼视觉的整合。这项研究发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上，为我们理解大脑的可塑性提供了新的视角。
视觉发育的关键期：一场神经元连接的“大洗牌”
长期以来，科学家们认识到大脑的视觉系统并非一开始就完全“硬 wired”，而是通过后天的视觉经验不断精细化。然而，这项MIT的研究揭示了这一过程的动态性和复杂性，远超出了之前的预期。研究人员首次在小鼠身上实时观察了视觉系统发育关键期神经元连接的变化，发现这简直是一场神经元连接的“大洗牌”。
研究团队追踪了视觉皮层神经元树突分支上数百个“脊柱”结构，这些脊柱是神经元之间连接的场所，被称为“突触”。在为期10天的观察期内，研究人员惊奇地发现，只有40%的脊柱结构最终得以保留。这意味着，为了实现精确的双眼视觉（整合来自双眼的信息），神经元必须经历大量的脊柱增加和移除，才能最终建立起一套高效的连接。
这项研究由前研究生Katya Tsimring领导，资深作者是皮考尔学习与记忆研究所的Paul and Lilah Newton教授Mriganka Sur。Sur教授强调，这项研究的独特之处在于，它首次在活体小鼠中，对同一神经元的树突连接进行了长达10天的追踪，完整地观察了视觉发育关键期的突触变化。
实验方法：追踪神经元活动与结构变化
为了深入了解神经元连接的动态变化，研究人员设计了一套巧妙的实验。他们让幼鼠观看黑白条纹的 grating，这些条纹具有特定的方向和运动方向。同时，研究人员观察神经元胞体和树突脊柱的结构和活动。
具体来说，研究人员在关键期的第1天、第5天和第10天，追踪了14个神经元上的793个树突脊柱的结构变化，从而量化了脊柱的增加和减少，以及突触连接的变化。此外，他们还追踪了脊柱的活动，量化了神经元在每个突触连接处接收到的视觉信息。例如，一个脊柱可能对特定的 grating 方向敏感，也可能对多个方向敏感，或者完全没有反应。
通过分析脊柱结构变化与其活动之间的关系，研究人员试图揭示突触更替如何精细化双眼视觉。
实验结果：神经元连接的剧烈更替
研究结果显示，神经元连接的更替速度非常惊人。在第1天观察到的脊柱中，32%在第5天消失了，而第5天观察到的脊柱中，24%是第1天之后新增加的。第5天到第10天之间也观察到了类似的更替：27%的脊柱被移除，24%的脊柱被添加。总的来说，只有40%的脊柱在第1天和第10天都存在。
与此同时，研究人员追踪的13个对视觉刺激有反应的神经元中，只有4个在第10天仍然有反应。虽然研究人员无法确定其他9个神经元停止反应的原因，但他们推测这些神经元可能已经承担了不同的功能。
神经元连接存留的“游戏规则”
面对如此剧烈的神经元连接重塑，科学家们不禁要问：哪些因素决定了哪些脊柱能够存留下来？
Sur教授指出，之前的研究表明，双眼视觉皮层神经元接收到的第一个输入通常来自对侧眼（即位于头部对侧的眼睛，例如左半球接收右眼的输入）。这些输入驱动神经元的胞体对特定的视觉属性产生反应，例如45度对角线的方向。随着关键期的开始，来自同侧眼（即位于头部同侧的眼睛）的输入也开始加入竞争，使一些神经元能够整合来自双眼的信息。
Sur教授认为，许多视觉皮层神经元对不同方向的线条敏感并非偶然。他解释说：“世界是由定向的线段组成的。这些线段可能是长的，也可能是短的。但世界并非只是模糊的、边界不清的 blob。世界上的物体——树木、地面、地平线、草叶、桌子、椅子——都是由小的线段构成的。”
通过追踪脊柱的活动，研究人员可以了解它们活动的频率以及什么方向的 grating 触发了它们的活动。随着数据的积累，他们发现，如果一个脊柱更活跃，并且对与神经元胞体偏好的方向相同的方向有反应，那么它就更有可能存留下来。值得注意的是，对双眼都有反应的脊柱比只对一只眼睛有反应的脊柱更活跃，这意味着双眼脊柱比非双眼脊柱更有可能存活。
Tsimring说：“这一观察结果为‘用进废退’假说提供了有力的证据。一个脊柱越活跃，它在发育过程中就越有可能被保留。”
研究人员还注意到另一个趋势。在10天的时间里，树突上出现了簇，其中相邻的脊柱越来越有可能同时活跃。其他研究表明，通过聚集在一起，脊柱可以结合它们的活动，使其大于单独活动的总和。
神经元连接重塑的机制：Hebbian 可塑性与异突触可塑性
通过这些规则，在关键期内，神经元似乎通过选择性地保留那些加强其新兴方向偏好的输入，来完善它们在双眼视觉中的作用。这种选择性保留既依赖于活动的量（一种称为“Hebbian 可塑性”的突触特性），也依赖于与邻近神经元的关联（一种称为“异突触可塑性”的特性）。
为了验证这些规则是否足以产生他们在显微镜下观察到的结果，研究人员构建了一个神经元的计算机模型。结果表明，该模型确实重现了与他们在小鼠身上观察到的相同的趋势。
研究人员写道：“在关键期，这两种机制都是必要的，以驱动与胞体和相邻脊柱对不对齐的脊柱的更替，最终导致[双眼]反应的细化，例如双眼之间的方向匹配。”
研究意义与未来展望
这项研究为我们理解大脑如何通过经验塑造视觉系统提供了重要的见解。它揭示了神经元连接在视觉发育关键期的动态性和可塑性，以及活动在神经元连接存留中的关键作用。这些发现不仅加深了我们对视觉系统发育的理解，也为我们理解其他大脑功能的发育和可塑性提供了新的思路。
未来的研究可以进一步探索以下问题：
- 神经元连接重塑的具体分子机制是什么？
- 哪些因素会影响视觉发育关键期的时程和可塑性？
- 神经元连接重塑的异常会导致哪些视觉障碍？
- 我们是否可以通过干预神经元连接重塑来治疗视觉障碍？
这项研究无疑为我们打开了一扇通往大脑可塑性奥秘的大门，未来的研究将继续深入探索这一领域，为我们理解大脑功能和治疗神经系统疾病提供新的希望。
