在早期的神经科学研究中，人们往往认为婴幼儿乃至青少年时期大脑学习能力更强，到成年之后这种能力就会受到来自神经活动方面的限制。不过，来自麻省理工学院（MIT）的一项最新研究却带来了新的证据，表明成年哺乳动物的大脑实际上也依然具备强大的学习能力。

11 月 30 日，一个来自麻省理工学院的研究团队在 Nature 发表了最新论文，发现在成年小鼠的大脑中依然包含数百万个 “沉默突触”，也就是神经元之间未被 “启用” 的连接，这些 “沉默突触” 约占成年小鼠大脑皮层中所有突触的 30%。

研究人员认为，可能正是这些 “沉默突触” 的存在为成人大脑的记忆和学习能力提供了持续动力，而不是通过修改那些已被使用的常规突触。

（来源：Nature）

“这些沉默的突触长期处于‘待命’状态，当重要的新信息出现时，相关神经元之间的联系就会得到加强。就可以在大脑中直接创造新的记忆，而不需要覆盖此前存储在成熟突触中的记忆，这些新形成的记忆将更难被遗忘。” 来自麻省理工学院的研究者 Dimitra Vardalaki 介绍道。

成年小鼠脑内仍有 “无处不在” 的沉默突触

研究表明，包括人类在内，哺乳动物的神经系统由大量神经元构成，并且依靠神经元之间的相互联系共同完成其功能活动。一个神经元与另一个神经元之间相联系的接触点，被称为突触（synapse）。

突触是神经细胞之间传递信息的关键节点。早期的研究者通过观察发现，在大脑中存在一类突触，其虽然具备突触结构但是并未发挥信息传递的功能，因此它们被称为沉默突触（silent synapse）。不过，这种沉默突触可以在一定条件下转化为有功能的突触，而这种转化行为可能是突触成熟、以及动物学习和记忆的基础。

几十年来，突触的可塑性机制被认为是形成记忆的基础，该观点长期主导着神经科学研究。简单来说，即经历引起的神经元活动将导致突触发生即时性或永久性变化，这种变化对应着记忆的形成。

（来源：Wikimedia）

长期以来，人们普遍认为沉默突触常见于早期发育过程中，在此期间它们将被不断激活，用于调节神经回路的形成和完善，但早期观点认为它们将在此后的成年期变得十分罕见。也就是说，成年人的突触可塑性将受到限制。然而事实上，成年人依然保有神经可塑性和灵活学习的能力，这代表新的神经元连接仍在不断形成。

另一方面，部分神经科学家则认为，沉默的突触可能会持续保留至成年，并有助于新记忆的形成。相关证据曾在成瘾的动物模型中被发现，但却未在正常的动物模型中得到证实。

“形成记忆的突触基础已被广泛接受，但是想要阐明突触如何在多年不退化的情况下长期支持记忆活动，一直是一个非常困难的命题。” 相关研究人员此前表示。

而在本次发表的最新研究中，研究人员发现，在成年小鼠的大脑中仍然有多达数百万的沉默突触，约占成年小鼠大脑皮层所有突触的 30%。而在发现这一证据之前，研究人员认为小鼠模型中的沉默突触将会在大约 12 天左右消失（相当于人类生命的前几个月）。

这完全是一个意外的发现。该研究的主要作者，麻省理工学院麦戈文脑科学研究所成员、大脑和认知科学副教授 Mark Harnett 表示，他起初在观察小鼠大脑中的神经元树突，并且发现这些像树杈一样从神经元中伸出来的结构可以根据所处位置，以不同方式处理突触输入的信息。

为了确认树突不同行为之间的差异，研究人员试图测量不同树突分支中的神经递质受体。基于一种全新的高分辨率图像技术 eMAP（蛋白质组表位保留放大分析）观察后，他们惊讶地发现，“丝状伪足（filopodia）无处不在，”Harnett 教授说，“这超级奇怪，完全出乎意料。”

顾名思义，丝状伪足是一种非常细小、从树突延伸出来的薄膜突起。此前使用传统的成像技术很难看清其细节，因此神经科学家虽然对其并不陌生，但却并不十分清楚它的确切功能。

在观察到上述现象后，研究团队尝试使用 eMAP 技术在成年小鼠大脑的其它部位进行观察。结果发现，在视觉皮层和其它大脑区域存在丝状伪足，并且数量比此前所见大约高出 10 倍，约占所有树突突起数量的 30%。

▲图丨在成年小鼠视觉皮层中观察到的锥体神经元树突丝状伪足（来源：Nature）

通过进一步的生理实验表明，这些丝状伪足上具有被称为 NMDA 受体的神经递质受体，但却缺乏 AMPA 受体。正常情况下，活跃突触需同时具有这两种类型的受体，它们之间形成合作并结合中枢神经系统的主要神经递质谷氨酸。而只有 NMDA 受体而没有 AMPA 受体时，突触就不能传递电流，这正是一种典型的沉默突触模式。

提供哺乳动物脑内实际运作方式的首个证据

为了验证这些丝状伪足是否是沉默突触，研究人员使用一种经过改进的电生理实验以监测单个丝状伪足产生的电活动。当模拟相邻的神经元释放谷氨酸活动时，他们发现，接受输入的丝状伪足并不会产生电信号。但在人为恢复 NMDA 受体通道功能之后，就像存在 AMPA 受体时发生的变化那样，这些沉默突触可以被解除沉默。

研究人员表示，通过释放谷氨酸并结合来自神经元体的电流刺激能够 “解除” 这些突触的沉默。这种联合刺激能够导致 AMPA 受体在沉默突触中积累，使其转换为有功能活性的突触，与附近释放谷氨酸的神经轴突形成牢固的神经连接。

▲图丨存在于丝状伪足的沉默突触可以通过突触前后的同步激活解除沉默（来源：Nature）

更进一步来说，研究人员认为，将沉默的突触转化为活跃的突触比改变成熟的突触要容易得多。

“如果你以一个已经具有功能活动的突触作为起点，那么可塑性机制就不起作用了，”Harnett 表示，“成人大脑中的成熟突触阈值要更高，这大概是因为人们希望可以牢固地存储这些记忆，而不是令旧的记忆不断被新记忆覆盖。另一方面，这些丝状伪足可以被‘征用’以形成新的记忆。”

研究人员说，这些发现能够支持哥伦比亚大学神经科学教授 Larry Abbott 和 Stefano Fusi 在早期提出的观点，即成年哺乳动物的大脑中包含高度可塑性突触，通过招募这些突触，记忆系统将在保留过去记忆的基础之上依然保持获取新信息的能力。

“据我所知，这篇论文是首个真正的证据，其能够证明哺乳动物大脑中的实际运作方式，”Harnett 对此谈到，“丝状伪足让记忆系统既灵活又稳健。你需要灵活性来获取新信息，也需要稳定性来保留重要信息。”

接下来，研究人员将致力于在人类脑组织中继续寻找沉默突触存在的证据，并且希望通过进一步研究，获知这些突触的数量或功能是否会受到衰老或神经退行性疾病等因素的影响。

“一个人想要获得更佳的记忆能力是完全有可能的，但是想要通过记忆习惯的改变或者获取新知识达到这一目的显然十分困难，”Harnett 介绍道，“但是通过找到一些参丝状伪足活动相关的分子，并试图操纵这些分子，我们或将在年龄增长的同时依然具备良好的记忆能力。”

参考资料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-022-05483-6

2.https://doi.org/10.1016/j.neuron.2005.02.001