文獻(xiàn)：Hedrick, Nathan G., et al. "Learning binds new inputs into functional synaptic clusters via spinogenesis." Nature Neuroscience ( 2022 ) : 1-12.

DOI：10.1038/s41593-022-01086-6

作者：鬼手 | 封面：Syd Weiler

學(xué)習(xí)如何重塑我們的大腦？多年以來，科學(xué)家們?cè)噲D從不同的角度對(duì)學(xué)習(xí)行為作出系統(tǒng)性的解釋。一些人認(rèn)為，學(xué)習(xí)會(huì)通過重塑神經(jīng)環(huán)路（neural circuits）的方式，來改變大腦功能從而留下學(xué)習(xí)的印記（即記憶）。2009 年，來自歐洲和美國(guó)的科學(xué)家們第一次在大腦皮層中觀測(cè)到了學(xué)習(xí)行為中有新的樹突棘（spines）的產(chǎn)生。但這些新生的樹突棘是如何造成神經(jīng)環(huán)路的改變，同時(shí)這些樹突棘是如何在我們的大腦中與既有的樹突棘相互作用的，我們知之甚少。

最近，來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的赫德里克（Hedrick）等人，通過雙光子顯微技術(shù)和電子顯微技術(shù)，闡明了學(xué)習(xí)過程中小鼠腦中新生樹突棘的發(fā)生機(jī)理，揭示了其與既有樹突棘之間的相互關(guān)系，同時(shí)也向我們展示了新生樹突棘在神經(jīng)環(huán)路的重塑與學(xué)習(xí)記憶的保存中扮演的重要角色。

a. 小鼠在聽覺提示下用左前肢按壓杠桿以接受獎(jiǎng)勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)（b，c）

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，赫德里克等人采用了頭部固定雙光子成像，來觀察運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)任務(wù)過程中，鼠腦初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層第二層和第三層中神經(jīng)元的變化。

首先，（a）赫德里克等人利用雙光子顯微鏡成功地觀測(cè)到，與學(xué)習(xí)過程前（Session 1）相比，學(xué)習(xí)過程后（Session 11）鼠腦初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層中出現(xiàn)了樹突棘的新生（a 藍(lán)色箭頭）與原有樹突棘的增大（a 帶星號(hào)）。

接下來，他們觀測(cè)到，相比單獨(dú)地參與神經(jīng)活動(dòng)，新生成的樹突棘更偏向于和原有的樹突棘產(chǎn)生相互作用從而參與神經(jīng)環(huán)路的重塑（d，e）。而這些原有的樹突棘多與同一神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)聯(lián)，并在新生樹突棘周圍成簇分布。

我們不禁想問，這些樹突棘是如何在合適的部位產(chǎn)生的？換言之，新生的樹突棘如何才能找到合適的突觸前軸突，從而實(shí)現(xiàn)與原有樹突棘的協(xié)同激活？赫德里克等人用高分辨率的電子顯微鏡觀測(cè)到了在新生樹突棘周圍有絲足（filopodia）的產(chǎn)生，其中一部分絲足會(huì)與既有的軸突建立空間上的聯(lián)系，從而使他們的活動(dòng)相互關(guān)聯(lián)（a）。

總的來說，赫德里克等人認(rèn)為在學(xué)習(xí)過程的前期階段，突觸前軸突會(huì)將神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)絼?dòng)作相關(guān)的原有樹突棘（a MRS）。之后一部分神經(jīng)突觸的活性會(huì)被增強(qiáng)（b 紅色區(qū)域），從而導(dǎo)致與其相近的局部微環(huán)境發(fā)生改變（b 紫色區(qū)域）。這種局部微環(huán)境的改變會(huì)促使絲足（filopodia）的產(chǎn)生（b 虛線部分）。一些絲足與已經(jīng)存在的軸突或樹突產(chǎn)生相互作用，從而形成新的樹突棘（c）。經(jīng)過一段時(shí)間后，和學(xué)習(xí)行為相關(guān)的新生樹突棘會(huì)被保留下來，而與學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)較少的新生樹突棘就會(huì)漸漸地消失（d）。