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  • 一个神经元的分支 -   - 枝晶的这个图像及其棘用电子显微镜(前景)重建它是在一个完整的脑(背景)与双光子显微镜成像之后。

    一个神经元的分支 - - 枝晶的这个图像及其棘用电子显微镜(前景)重建它是在一个完整的脑(背景)与双光子显微镜成像之后。

    图片:河畔实验室

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  • 圆过程或刺枝晶,共同表达了红色荧光蛋白用绿色标记的蛋白质的弧线,与双光子显微镜获得。

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    图片:河畔实验室

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澳门太阳城最新网站的科学家发现大脑可塑性的基本规则

The image of a dendrite and its spines was reconstructed with electron microscopy (f要么eground) after it was imaged with two-photon microscopy in an intact brain (background).

研究揭示了如何,当突触增强,其邻国削弱。


记者联系

大卫·奥伦斯坦
电子邮件: davidjo@mit.edu
电话:617-324-2079
皮考尔研究所

我们的大脑是著名灵活,或“塑料”,因为神经元可以通过加强与其他神经元的新的或更强的联系做新的事情。但如果一些连接加强,神经科学家推断,神经元必须赔偿,以免他们变得不知所措的输入。在一项新的研究 科学,研究人员在澳门太阳城最新网站皮考尔研究所的学习和记忆表现出的第一次这种平衡是如何达成:当一个连接,称为突触,增强,直接相邻的突触削弱基于一种称为弧的关键蛋白的作用。

资深作者马里根卡·萨尔说,他很高兴,但并不感到惊讶,他的研究小组发现,在这样一个复杂系统的核心脑,其中每100个十亿神经元有数以千计的不断变化的突触的简单,基本规则。他比作如何的鱼大量学校会突然改变方向,集体,只要铅鱼圈和所有其他鱼类遵循以下在它面前的鱼权的简单规则。

“复杂系统的集体行为总是有简单的规则,说:”河畔,保罗即而在皮考尔研究所神经科学的牛顿的Lilah教授,脑与认知科学的澳门太阳城最新网站的部门。 “当一个突触上升,内50微米存在使用定义明确的分子机理其他突触的强度的降低。”

这一发现,他说,提供了如何突触增强和减弱神经细胞相结合,产生可塑性的解释。

多操作

但他们发现,规则是简单,揭示了实验中则没有。因为他们的工作,以激活可塑性在小鼠视觉皮层,然后跟踪突触改怎么做到这一点,主要撰稿人萨米EL-boustani和雅克·白根IP,在河畔的实验室博士后,完成几个第一。

在一个关键的实验中,他们通过改变神经元的可塑性援引“感受野”,或视野的补丁它响应。神经元通过突触收到他们分枝状树突棘少输入。改变神经元的感受野,科学家精确定位的神经元的相关树突确切的脊柱,然后在其突触密切监测变化,因为他们表现出鼠标的目标在一个特定的地方,从神经元的原接受不同的屏幕上领域。只要目标是他们想诱使新的感受野位置,他们加强了闪烁的鼠标视觉皮层内的蓝色光,煽动活动的费用就像另一个神经元的威力影响到神经元的反应。神经元已经遗传工程改造以由灯闪烁被激活,一种被称为“光遗传学”。

研究人员这样做一遍又一遍。因为光刺激在小鼠的视野的新位置的目标的每一个的外观相关的,这引起了神经元,以加强对脊柱的特定突触,编码新的感受域。

“我认为这是相当惊人的,我们能够在完整的大脑和见证的活组织的分子机制的多样性,使这些细胞通过突触可塑性集成新的功能重新编程单个神经元,” EL-boustani说。

作为新感受野的突触生长,研究人员可以在双光子显微镜,附近的突触也随之缩小下看到。他们没有观察到在缺乏光遗传学刺激实验对照神经元这些变化。

但后来他们又进一步证实他们的发现。因为突触是如此的渺小,他们是附近的光学显微镜的分辨率的极限。所以实验后球队解剖含操纵和控制神经元的树突脑组织和发运他们共同作者在瑞士高等理工学院联邦洛桑。他们进行了专门的,更高分辨率,3- d电子显微镜成像,确认双光子显微镜下观察到的结构上的差异是有效的。

“这是树突长度最长在体内成像后曾重建”之称的河畔,谁也指挥西蒙斯中心在澳门太阳城最新网站社会大脑。

当然,重新编程老鼠的基因工程与神经元的闪光是不自然的操控,让球队做了另一个更经典的“单眼剥夺”实验中,他们暂时关闭鼠标的一只眼睛。当这种情况发生在与闭眼神经元形成突触削弱和相关仍然睁眼突触加强。然后,当他们重新打开之前关闭的眼睛,突触再次重新排列。他们跟踪的行动,也看到了作为突触增强,其近邻将削弱补偿。

解决弧之谜

看过生效的新规则,研究人员仍然渴望了解神经元是如何服从它。他们使用了一种化学标记,观看如何键“AMPA”受体的突触变化,发现突触扩大,同时收缩和更低的AMPA受体表达相关性弱化加强与更多的AMPA受体表达相关。

蛋白质电弧调控AMPA受体的表达,让球队意识到他们必须跟踪弧充分了解了事情的原委。这个问题,河畔说,是从来没有人在现场,表现动物的大脑没有做过。所以球队达到了共同作者在医学京都大学研究生院和东京大学,是谁发明的化学标记,可以这样做。

使用标签,球队可以看出,加强突触是与已经丰富弧表达减弱突触包围。具有降低的弧的量突触能够表达更多的AMPA受体而增加电弧在相邻的刺造成那些突触表达少AMPA受体。

“我们认为弧维持突触资源的平衡,” IP说。 “如果出现了,有事必须往下走。这是圆弧的重要作用。”

河畔说,因此,研究解决了圆弧的一个谜:没有一个人之前就明白了为什么弧似乎在经历突触可塑性的树突上调,即使它的作用是减弱突触,但现在的答案是明确的。加强突触增加弧削弱他们的邻居。

河畔补充说,该规则可帮助解释如何学习和记忆可能在个体神经元级别的工作,因为它显示了一个神经元如何调整到另一个人的反复模拟。

阿尼亚majewska,在该中心在罗切斯特大学视觉神经科学副教授说,这项研究的先进方法使团队能够实现和新成果的重要集。

“因为在监视和操作连接神经元的微小的和无数突触的困难,大部分研究已经在人工刺激使它不清楚如何确定的机制,在大脑的反应中发挥作用的复杂的电路实际上是实现减少准备进行它的环境,” majewska说。 “从河畔实验室这项新的研究有很大的影响,因为它结合了尖端的成像和遗传的工具来监控精美单个突触的大脑正在响应是引起神经元的反应行为上的变化,相关刺激内部的功能。

“鉴于此绝技的做法的结果,现在我们可以说,在完整的大脑,摆在靠近彼此突触通过涉及分子级联其中弧起到了一种机制,电路功能变化时共同作用关键的作用,”她说。 “这些信息可以让我们了解电路的不仅是如何发展的神经元和改建的生理环境,但提供的线索,将在确定这些进程是如何进去的各种神经系统疾病出错是很重要的。”

除了河畔,EL-boustani和IP,论文的其他作者是文森特的Breton普罗,ghraham诺特,奥野博之和晴彦BITO。

对于科研经费都来自皮考尔研究所创新基金,西蒙斯中心,为社会的大脑,居里夫人博士后研究,人类前沿科学计划长期研究金,美国国立卫生研究院,美国国家科学基金会和kakenhi。


主题: 研究, 学习, 记忆, 突触, 神经科学, 脑与认知科学, 皮考尔研究所, 科学学院

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