神经元突触重塑：构建双眼视觉的奥秘
婴儿时期，我们的大脑并非一开始就拥有完全成熟的视觉系统。相反，它会根据我们所看到的东西进行精细调整。麻省理工学院（MIT）皮考尔学习与记忆研究所的一项开创性研究揭示了这一过程的惊人细节，为了解视觉发育关键期神经连接的变化，研究人员选择以小鼠为模型，以前所未有的方式实时观察大脑的重塑过程。
这项发表在《自然通讯》上的研究，首次跟踪了小鼠视觉皮层中神经元的树突棘（即突触所在地）在关键期的变化。研究发现，在短短10天内，超过一半的突触连接会被移除，同时新的连接不断形成。这种剧烈的神经重塑是双眼视觉（整合来自双眼的信号）得以精确建立的关键。
前所未有的观察
该研究由前研究生Katya Tsimring领导，资深作者Mriganka Sur教授是皮考尔学习与记忆研究所的神经科学教授。研究团队通过一种先进的成像技术，得以在活体小鼠中重复观察同一神经元的树突，时间跨度长达10天，涵盖了视觉发育的关键期。这项技术突破使他们能够以前所未有的精度追踪突触的动态变化。
Sur教授表示：“Katya所做的是在发育的关键时期，通过相同的活体小鼠，重复对相同的神经元树突进行10天的成像，从而探究突触或棘突上发生了什么。我们对变化之大感到惊讶。”
大规模的突触更新
实验中，研究人员让幼鼠观看黑白光栅，这些光栅具有特定方向和运动方向的线条。同时，他们观察神经元胞体和树突棘的结构和活动。通过追踪14个神经元上的793个树突棘在关键期的第1天、第5天和第10天的结构变化，研究人员能够量化棘突的添加和丢失，从而量化它们所包含的突触连接。通过同时追踪它们的活动，他们可以量化神经元在每个突触连接处接收到的视觉信息。例如，一个棘突可能对一个特定的方向或光栅方向有反应，对几个方向有反应，或者根本没有反应。最后，通过将棘突在关键时期的结构变化与其活动联系起来，他们试图揭示突触更新完善双眼视觉的过程。
结果显示，大约32%的突触在5天内被移除，另有24%的新突触形成。在第5天到第10天之间，也发生了类似的更新：27%的突触被移除，24%的突触被添加。总的来说，只有40%的突触在10天后仍然存在。
更令人惊讶的是，在研究开始时对视觉刺激有反应的13个神经元中，只有4个在第10天仍然有反应。研究人员推测，其余神经元可能已经改变了它们的功能，或者对不同的视觉刺激产生了反应。这一发现进一步强调了视觉系统在发育过程中的可塑性。
突触存活的法则
面对如此剧烈的神经重塑，研究人员开始探究哪些因素决定了哪些突触能够存活下来。他们发现，突触的存活与它们的活动水平和对特定视觉方向的反应有关。
Sur教授解释说，先前的研究表明，双眼视觉皮层神经元首先接收到来自对侧眼睛（位于头部对侧）的输入。这些输入驱动神经元的胞体对特定的视觉属性（如线条的方向）作出反应。在关键期开始时，来自同侧眼睛的输入开始加入竞争，使一些神经元成为双眼的。
“世界是由定向的线段组成的，”Sur指出。“它们可能是长的线段；它们可能是短的线段。但世界不仅仅是具有模糊边界的无定形球体。世界上的物体——树木、地面、地平线、草叶、桌子、椅子——都以小线段为界。”
研究人员发现，如果一个突触更活跃，并且它对与神经元胞体偏好的方向相同的方向作出反应，那么它就更有可能存活下来。值得注意的是，对双眼都有反应的突触比只对一只眼睛有反应的突触更活跃，这意味着双眼突触比非双眼突触更有可能存活。
Tsimring说：“这一观察结果为‘用进废退’的假设提供了有力的证据。一个棘突越活跃，在发育过程中就越有可能被保留下来。”
突触集群的力量
研究人员还观察到，在树突上出现了突触集群，即相邻的突触更有可能同时活跃。这种集群效应使突触能够协同工作，从而增强它们的整体活动。
研究人员认为，通过这些规则，神经元在关键期内通过选择性地保留那些增强它们的方向偏好的输入来完善它们在双眼视觉中的作用，这既通过它们的活动量（一种称为“赫布可塑性”的突触特性），也通过它们与其邻居的相关性（一种称为“异突触可塑性”的特性）。为了证实这些规则足以产生他们在显微镜下看到的结果，他们建立了一个神经元的计算机模型，事实上，该模型重复了他们在小鼠身上看到的相同趋势。
研究人员写道：“这两种机制在关键时期都是必要的，以驱动与胞体和相邻棘突对不对齐的棘突的更新换代，这最终导致了[双眼]反应的完善，例如双眼之间的方向匹配。”
为了验证这些发现，研究人员建立了一个计算机模型，模拟了神经元的行为。结果表明，该模型能够重现实验中观察到的突触重塑模式，进一步证实了这些规则在双眼视觉发育中的作用。
研究意义
这项研究为了解大脑如何构建复杂的视觉系统提供了重要的见解。它揭示了神经元之间竞争和合作的动态过程，以及活动在塑造神经连接中的关键作用。这些发现不仅加深了我们对视觉发育的理解，也为研究其他大脑功能的发育和可塑性提供了新的思路。
此外，这项研究还可能对治疗弱视等视觉障碍提供新的策略。通过了解突触重塑的机制，我们可以开发出更有针对性的干预措施，以促进视觉系统的正常发育。
这项研究的作者还包括Kyle Jenks、Claudia Cusseddu、Greggory Heller、Jacque Pak Kan Ip和Julijana Gjorgjieva。该研究的资金来源包括美国国立卫生研究院、皮考尔学习与记忆研究所以及自由互助基金会。
未来展望
这项研究仅仅是开始。未来，研究人员计划进一步探索突触重塑的分子机制，以及遗传因素和环境因素在其中的作用。他们还希望研究这些发现是否适用于其他感觉系统和认知功能。
通过不断深入研究大脑的可塑性，我们有望揭开更多关于大脑如何学习、适应和修复自身的奥秘。这些知识将为我们带来更有效的治疗神经系统疾病和提高认知能力的方法。
