发表我国科研人员对于神经环路修剪的竞争机制

2020-05-01 13:38 来源:未知

来源:新华网 发布时间:2019/9/18 14:09:33 选择字号:小 中 大 动物研究显示青春期社交隔离会导致大脑发育异常

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新华社北京9月18日电 美国一项新研究发现,雌性小鼠如果在青春期被隔离起来,它们大脑中的前额叶皮质会出现非典型发育,并在成年后产生对一些习惯性行为的过度依赖,这种依赖被认为与上瘾行为和肥胖等相关。

《细胞》发表我国科研人员对于神经环路修剪的竞争机制研究成果

大脑中的神经元通过突触形成各种神经网络,突触位于神经细胞表面的树突棘上,是脑部信息传递的结构基础。在大脑发育的头几年,树突棘大量产生,之后经过外界刺激和学习的不断修剪,最终形成神经网络。

人类大脑约有1000亿个神经元,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,但脑内突触并非多多益善,需经过微型园艺般精妙绝伦的修剪。中科院上海生科院神经所科研人员在分子层面上发现,神经环路修剪存在一种物竞天择、优胜劣汰的竞争机制。过多或过少修剪,都事关自闭症等发育性神经系统疾病。

青春期是大脑发育的关键阶段,此时神经网络通过修剪逐步走向精确化,一些连接得到加强,另一些则会被消除。此前有研究证明这一阶段的社交行为对大脑发育有重大影响,树突棘的动态变化如果出现异常可能导致神经系统疾病。

昨天,这项新成果率先在线发表于国际自然科学领域三大期刊之一的《细胞》。该刊审稿人认为,研究填补了非常重要的空白。

美国神经学学会的研究人员日前在美国《神经科学学报》上发表研究报告说,为了确定青春期社交上的隔离状态对神经行为产生的长期影响,研究人员挑选了一些处于青春期的雌性小鼠,把它们隔离开来喂养,并在成年后让它们重新进入社交环境中。结果发现,青春期的社交隔离状态会对成年后的大脑和行为模式带来损害,这种损害与小鼠大脑前额叶皮质中的树突棘异常增生相关。

修剪异常会致神经发育疾病

研究人员认为,这一发现可能为未来通过在青春期阶段对大脑进行微调干预等治疗相关神经系统疾病提供新的思路。

神经元经由突触互联互通,形成庞大的神经网络,调控着我们的感觉、运动、记忆与情感。这张网络中大部分的兴奋性突触,都位于神经元树突上一种名为树突棘的微结构上,它们有点像小蘑菇。

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在发育早期,树突棘与突触数目快速增加,形成功能性神经网络。神经网络的复杂度达到一定程度后,必须像修剪枝叶一样进行优化,才能达到最佳的信息传递与储存效果。神经环路的这种精确化过程主要在青春期进行,表现为树突棘数目总体减少,而不是增多。比如,自闭症患者的树突棘,成年期相比幼年期结束时减少了,但因修剪存在缺陷,数目总体上仍高于普通人群。

树突棘修剪,对于大脑行使正常功能至关重要,在自闭症等发育性神经系统疾病中均发现了树突棘修剪的异常。神经科学研究所研究员于翔告诉记者,虽然树突棘修剪的重要性已被广泛认识,但介导这一精确过程的分子机制,也就是如何修剪,基本上仍是未知的。

竞争使神经环路联接更精确

通过小鼠实验、光遗传学手段、在体基因操作等验证,于翔研究组认为在青春期的神经环路精确化过程中,有一类关键分子资源cadherin/catenin复合物,能够促进细胞粘附,使树突棘更稳定和成熟。

然而好东西总是稀少的。研究组博士生边文杰介绍,细胞内正常的3C复合物并不足以满足每一个树突棘的需求,相邻的树突棘之间就会产生对这类分子的竞争。其中,经常被刺激、接受强输入的树突棘,更容易在竞争中胜出,抢夺到更多3C复合物。一旦优势形成,便一发而不可收拾,越来越多3C复合物以正反馈方式不断积累到获胜的树突棘中,所谓赢者通吃。那些失败的树突棘不断失去3C复合物,只能任由自己结构松散和奔溃,最后难逃被修剪的命运。

研究组发现,神经系统以这样的天然竞争机制,保证了使用频率较高、输入较强的神经环路联接被保留,并不断强化,而使用频率低、输入较弱的联接被去除,从而使大脑系统的资源得到最优化分配,神经环路联接更加精确。当然,若这一机制出现问题,大脑也就得病了。可见,在亚细胞层面的这套分配制度,印证了那条或用之、或弃之的神经科学基本概念,很可能代表生物系统的一种普遍策略。

多练脑可弥补神经发育缺陷

于翔解释称,3C复合物并非可以脑补的营养成分,其中的重要组成部分-连环蛋白在多种癌症中被发现过量表达。这意味着,在现有科技水平上,人们需要强化有用的树突棘,让它们变强大,才有助于大脑健康。否则,缺乏精准修剪,脑内杂草丛生,可能导致神经疾病。

于翔研究组在实验中发现,小鼠的触须是非常发达的感觉器官,它的日常活动都有赖于触须的感觉输入。通过丰富环境饲养,增加小鼠的感觉输入,能同步加速树突棘的修剪与其形态的成熟。然而,剪除小鼠触须,则同时阻止了这两个过程。

于翔说,属于鸣禽的一些小鸟,必须学会歌唱才能吸引配偶,但如果它们没有在关键期听到该学的歌,以后就很难再学会。同时,猫头鹰特有的视觉听觉整合系统具有高度可塑性,当人为干预其视听整合后,只要他们有足够动力,成年后也能习得,比如需要自己捕食的猫头鹰可重新学会,而喂养肉食的猫头鹰则学不会。她认为,不论大脑健康与否,多多练脑,包括多种感官刺激、各种运动训练等,都可增加脑电活动,弥补某些致病性神经发育缺陷,即使在婴幼儿时期过后,仍能在青少年期后天改观。

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