神经科学家确定有助于加强突触的新机制

电机神经元（绿色）形式在果蝇的肌肉纤维上形成突触（在洋红色中突出显示）。麻省理工学院神经科学家已经发现了一种有助于加强这些突触的途径。图像：特洛伊利特尔顿

来自麻省理工学院的神经科学家已经确定了一种新的机制，使大脑能够加强神经元之间的联系。

当大脑形成记忆或了解新任务时，它通过调整神经元之间的连接来编码新信息。麻省理工学院神经科学家已经发现了一种有助于加强这些联系的新机制，也称为突触。

在每个突触中，突触前神经元向一个或多个突触后接收细胞发送化学信号。在最先前的这些联系如何发展的研究中，科学家们侧重于突触后神经元的作用。但是，麻省理工学院团队发现突触前神经元也影响了连接力量。

“这种我们在突触前方面发现的机制增加了一个工具包，我们为了解突触如何变化，”麻省理工学院的生物学和脑和认知科学部门的教授Troy Littleton（MIT）部门的教授说学习和记忆研究所，以及该研究的高级作者，出现在11月18日神经元的第18期。

了解更多关于突触如何改变其联系的信息可以帮助科学家更好地了解自闭症等神经发育障碍，因为在突触蛋白的代码中发现了与自闭症相关的许多遗传改变。

Picower Institute的研究科学家Richard Cho是纸张的主要作者。

重新兴起大脑

神经科学领域的最大问题之一是大脑如何回应变化的行为条件 - 一种称为可塑性的能力。这在早期发展中尤为重要，但随着大脑的学习和形成新的回忆，整个生命都持续。

在过去的30年里，科学家发现，对突触后细胞的强大输入导致其对其表面的神经递质进行更多的受体，放大其从突触前细胞接收的信号。这种现象，称为长期增强（LTP），发生在突触持续，高频刺激之后发生。长期凹陷（LTD），在除去这些受体时，可能发生由非常低频刺激引起的突触后反应的弱化。

利特尔顿说，科学家们在突触神神经元的作用上重点放纵了突触神经元的作用，部分原因是更难以研究。

他的实验室已经花了几年的时间来解决突触前细胞如何在响应被称为动作电位的电力活性的尖峰而释放神经递质的机制。当突触前神经元寄存钙离子的涌入时，携带动作电位的电涌，囊泡将神经递质融合到电池的膜上并溢出其内容物在细胞外，其中它们与突触后神经元的受体结合。

突触前神经元在涉及自发释放的过程中，在没有动作电位的情况下，突触神经元也释放神经递质。这些“迷你”先前被认为在大脑中代表出现的噪音。然而，Littleton和Cho发现迷你可以调节以驱动突触结构可塑性。

为了调查如何加强突触，Littleton和Cho在果蝇中研究了一种称为神经肌肉连接点的突触。研究人员在短时间内刺激了具有快速系列动作电位的突触前神经元。正如预期的那样，这些细胞与动作电位同步释放神经递质。然而，为了他们的意外，研究人员发现，在电气刺激结束后，迷你事件大大提高了。

“大脑中的每一个突触都在释放这些迷你事件，但人们在很大程度上忽略了它们，因为它们只诱导了突触后细胞中的少量活动，”利特尔顿说。“当我们对这些神经元产生强烈的活动脉冲时，这些迷你事件通常非常低频，突然升高，在下来之前，它们保持了几分钟的升高了几分钟。”

突触生长

迷你的增强似乎引起突触后神经元以释放信号传导因子，仍未识别，返回到突触胞细胞并激活称为PKA的酶。该酶与囊泡蛋白质的囊泡蛋白相互作用，该囊泡蛋白通常用作制动器，夹紧囊泡，以防止释放神经递质直至需要。PKA刺激改变复合物，使其释放其在神经递质囊泡上的抓地力，产生迷你事件。

当这些神经递质的小包以升高的速率释放时，它们有助于刺激突触前和后腹神经元之间的新连接的生长，称为Boutons。这使得突触后神经元更敏感到突触前神经元的任何未来通信。

“通常，您每种细胞有70左右这些，但如果您刺激突触前的细胞，您可以非常敏锐地发展新的Boutons。Littleton说，它将增加一倍形成的突触数量。

研究人员在整个苍蝇的幼虫发展中观察到这一过程，持续了三到五天。然而，Littleton和Cho表明突触功能的急性变化也可能导致开发过程中的突触结构可塑性。

“突触前终端中的机器可以以非常急性的方式修改以驱动某些形式的可塑性，这不仅可以在开发中非常重要，而且在更多的成熟状态下，在学习和记忆中可能发生突触变化， “Cho说。

这项研究很重要，因为它是第一个揭示突触前神经元如何为可塑性有所贡献的，是韦恩州立大学医学院神经学教授的普遍学院，他没有参与研究。

“众所周知，神经连接的生长是通过活动确定的，但具体而言，发生的情况不是很清楚，”Bykhovskaia说。“他们精美地使用果蝇来确定分子途径。”

Littleton的实验室现在正在尝试更多的机械细节，了解复合素如何控制囊泡释放。

出版物：Richard W.Cho，等人，“PKA磷酸化术通过调节活性依赖性的自发神经递质释放和结构突触塑性，”Neuron，第88卷“，2015年11月18日，P749-761号文件; DOI：10.1016 / J.NEURON.2015.10.011