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大脑神经环路修剪“赢家通吃” 新发现有助自闭症治疗

2015-08-07 15:47
来源:新民晚报    记者:董纯蕾    新民网编辑:戴慧菁    T | T 字号: 打印 参与评论

图说:大脑的某些功能会在外界刺激的影响下发生改变。网络配图

  【新民晚报·新民网】胜者一发不可收,败者溃不成军,这般“赢家通吃”的情节,不仅仅发生在人与人的世界里,也发生在脑神经环路的精确化过程中,甚至很可能代表了生物发育的一种普遍策略。北京时间今天,国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)在线发表了中科院上海生命科学研究院神经科学研究所于翔研究组的该项研究成果。新发现的这一整套基于竞争的分子机制,对理解正常脑发育十分重要,对研究自闭症(又称孤独症)、精神分裂症等发育性神经系统疾病有重要的借鉴作用。

  神经环路并非一成不变,可在来自外界刺激的“调教”下修正、重塑

  人类的大脑包含大约1000亿个神经元,这个数字是整个银河系恒星数目的10倍。平均每个神经元又与其他神经元形成约1000个被称为“突触”的联接节点。也正因为有了这些将兴奋性或抑制性的输入信息传来送往的神经元“信使”,大脑才能调控人的感觉、运动、记忆与情感。

  于翔研究员和该论文的第一作者、博士研究生边文杰告诉记者,大脑与外部世界的“互动”远不止简单的信息交换。科学家早已发现,大脑的某些功能会在外界刺激的影响下发生改变,即大脑具有可塑性。那些负责感觉、运动、记忆、情绪的神经环路,并非一成不变,而是不断地在来自外界刺激的“调教”下修正、重塑。

  比如,在人的青春期,神经系统会经历一场奇妙的自我优化“魔术”,“魔术”的名字叫“树突棘修剪”。树突棘是神经系统中的一种微结构,在大脑发育早期,树突棘的数目与突触一样快速增加,形成功能性的神经网络。然而它并非永远多多益善,当神经网络的复杂度达到一定程度后,即在由青春期渐入成年期的阶段,树突棘的总数反而显著减少,也就是说已形成的联接会被“修剪”,从而达到最佳的信息传递与储存效果。科学家在包括自闭症、精神分裂症在内的发育性神经系统疾病中,均发现了树突棘修剪的异常。然而,背后调控这一切的分子机制,始终悬而未决。

  神经系统以竞争机制保证输入较强的环路联接被保留并强化

  于翔研究组试图在小鼠实验中寻找答案,实验模型是与小鼠触须相对应的大脑感觉区域——桶状皮层,因为小鼠的触须是一种非常发达的感觉器官,觅食、探索、感知危险等日常活动都有赖于触须的感觉输入。研究人员从中发现了树突棘的竞争关系:胜者更加强壮与成熟,而失败的一方则接受被修剪的惩罚。

  那么,又是谁主宰着树突棘的不同命运?研究组在体外培养的海马神经元体系中,用活细胞成像、光遗传学等手段找到了答案:是对一类名叫“cadherin/catenin细胞粘附复合物”(又称3C复合物)的关键分子的竞争,决定了树突棘的命运。好资源总是稀少的,细胞内的3C复合物不足以满足每一个树突棘的需求,谁抢到了更多,谁就更易存活与成熟,而它的邻居则沦为倒霉蛋,因掌握的3C复合物太少而更易被修建掉。“越来越多的3C复合物不断积累到获胜的树突棘中,而那个失败的树突棘不断失去3C复合物,只能任由自己的结构松散、崩溃,最后难逃被修剪的命运。”于翔指出,神经系统以这样一种简单的竞争机制保证了使用频率较高、输入较强的环路联接被保留下来并加以强化,而使用频率低、输入较弱的联接被去除,从而使系统资源得到最优化的分配,神经环路的联接更加精确。

  (新民晚报记者董纯蕾)

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