研究发现：神经元用特定区域稳定突触存信息

大脑最为人所熟知的特质之一便是其适应性。

神经回路会发生变化，其连接会随着我们的体验以及与世界的互动而不断调整，这是我们学习的关键所在。

“大脑已经搞明白了如何在稳定性和灵活性之间的这种平衡状态中应对自如，这样你就可以有新的学习，也可以有终身记忆，”麻省理工学院麦戈文脑研究所的研究员、神经科学家马克·哈内特（Mark Harnett）说。

在《细胞报告》发表的研究中，哈内特和他的团队展示了单个神经元是如何对这种重要的双重性的两个方面都发挥作用的。通过研究大脑感觉皮层中的锥体神经元相互交流的突触，他们了解了细胞如何保留对世界上一些最基本特征的理解，同时又保持适应不断变化的世界所需的灵活性。

在生命的早期阶段，这些突触极具可塑性；当幼小的动物接收视觉信息并学着去解读时，它们的强度会有所变化。大多数在成年后仍然具有适应性，但哈内特的团队发现，当动物不到一个月大时，一些细胞的突触会失去其灵活性。既有稳定的突触又有灵活的突触意味着这些神经元可以结合来自不同来源的输入，以灵活的方式使用视觉信息。

博士后考特尼·耶格尔（Courtney Yaeger）对这些异常稳定的突触进行了仔细研究，它们沿着精心分支的锥体细胞的狭窄区域聚集着。她对细胞接收主要视觉信息的连接感兴趣，因此她追踪了它们与大脑丘脑的视觉处理中心——称为背外侧膝状核（dLGN）的神经元的连接。

神经元用于接收其他细胞信号的长延伸部分被称作树突，它们从细胞主体分支，形成树状结构。

沿着树突的多刺突起构成了将锥体神经元与其他细胞相连接的突触。

耶格尔（Yaeger）的实验显示，来自外侧膝状体核背侧部（dLGN）的连接全都通向锥体细胞的一个特定区域——即她所描述的树突树树干内部的一条紧密带。

耶格尔发现，在这个正式称作顶斜树突域的区域中的突触，与同一细胞上的其他突触存在几种不同之处。“它们实际上彼此距离不远，但它们具有完全不同的特性，”她说。

在一组实验中，耶格尔激活了锥体神经元上的突触，并测量了对细胞电位的影响。神经元电位的变化产生了细胞相互交流所使用的脉冲。当附近的突触也被激活时，突触的电效应通常会放大。但是当信号传递到顶斜树突域时，无论刺激了多少突触，每个突触都具有相同的效果。

哈内特（Harnett）表示，那里的突触根本不会相互产生作用。“它们只是做自己该做的。不管它们的‘邻居’在做啥，它们都只是做差不多的事。”

该团队还能够可视化单个突触的分子内容。这揭示出顶斜树突中令人惊讶地缺少一种名为 NMDA 受体的神经递质受体。这一点值得注意，因为 NMDA 受体在介导大脑变化方面发挥着作用。

“一般来说，当我们想到任何一种学习、记忆和可塑性时，都是 NMDA 受体在起作用，”哈内特说。“这是迄今为止所有大脑中学习和记忆最为常见的基础条件。”

当耶格尔对顶斜突触进行电刺激，产生能够强化大多数突触的活动模式时，该团队发现了 NMDA 受体有限存在的一个后果。突触的强度没有改变。“就我们所测试的而言，那里没有依赖活动的可塑性，”耶格尔说。

研究人员表示，这是合乎情理的，因为细胞与丘脑的连接传递了眼睛检测到的主要视觉信息。正是通过这些连接，大脑学会识别基本的视觉特征，如形状和线条。

“这些突触基本上是对这种视觉信息的强大、高保真读取，”哈内特解释道。

“这就是它们所传递的信息，并且它并非对上下文敏感。”

所以，无论有多少其他突触处于活跃状态，它们都只是确切地做自己该做的，而且你无法依据活动情况对其进行上下调节。因此，它们极其稳定。

“实际上，你不希望这些突触是可塑的，”耶格尔补充道。

“试想，你能想象去睡觉然后忘记垂直线是什么样子吗？那将是灾难性的。”

通过在不同年龄的小鼠中进行相同的实验，研究人员得出结论，连接锥体神经元和丘脑的突触在幼鼠首次睁开眼睛几周后变得稳定。

哈内特表示，到那个时候，它们已经学会了所需的一切。

另一方面，如果小鼠在生命的最初几周处于黑暗中，突触始终无法稳定——进一步证明这种转变取决于视觉体验。

该团队的发现不仅有助于解释大脑如何平衡灵活性和稳定性，它们还可以帮助研究人员指导人工智能如何做同样的事情。

哈内特说，人工神经网络在这方面表现得极为糟糕：当一个表现良好的人工神经网络被训练去做新的事情时，它几乎总是经历“灾难性遗忘”，并且不再能够执行其原始任务。

哈内特的团队正在探索如何借助他们对真实大脑的认识来克服人工网络中的这个问题。