《自然-神经科学》：学习如何改变我们的大脑？

文献：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

学习如何重塑我们的大脑？多年以来，科学家们试图从不同的角度对学习行为作出系统性的解释。一些人认为，学习会通过重塑神经环路（neural circuits）的方式，来改变大脑功能从而留下学习的印记（即记忆）。2009 年，来自欧洲和美国的科学家们第一次在大脑皮层中观测到了学习行为中有新的树突棘（spines）的产生。但这些新生的树突棘是如何造成神经环路的改变，同时这些树突棘是如何在我们的大脑中与既有的树突棘相互作用的，我们知之甚少。

最近，来自加州大学圣地亚哥分校的赫德里克（Hedrick）等人，通过双光子显微技术和电子显微技术，阐明了学习过程中小鼠脑中新生树突棘的发生机理，揭示了其与既有树突棘之间的相互关系，同时也向我们展示了新生树突棘在神经环路的重塑与学习记忆的保存中扮演的重要角色。

a. 小鼠在听觉提示下用左前肢按压杠杆以接受奖励，从而实现运动学习（b，c）

在这个实验里，赫德里克等人采用了头部固定双光子成像，来观察运动学习任务过程中，鼠脑初级运动皮层第二层和第三层中神经元的变化。

首先，（a）赫德里克等人利用双光子显微镜成功地观测到，与学习过程前（Session 1）相比，学习过程后（Session 11）鼠脑初级运动皮层中出现了树突棘的新生（a 蓝色箭头）与原有树突棘的增大（a 带星号）。

接下来，他们观测到，相比单独地参与神经活动，新生成的树突棘更偏向于和原有的树突棘产生相互作用从而参与神经环路的重塑（d，e）。而这些原有的树突棘多与同一神经活动有关联，并在新生树突棘周围成簇分布。

我们不禁想问，这些树突棘是如何在合适的部位产生的？换言之，新生的树突棘如何才能找到合适的突触前轴突，从而实现与原有树突棘的协同激活？赫德里克等人用高分辨率的电子显微镜观测到了在新生树突棘周围有丝足（filopodia）的产生，其中一部分丝足会与既有的轴突建立空间上的联系，从而使他们的活动相互关联（a）。

总的来说，赫德里克等人认为在学习过程的前期阶段，突触前轴突会将神经信号传输到动作相关的原有树突棘（a MRS）。之后一部分神经突触的活性会被增强（b 红色区域），从而导致与其相近的局部微环境发生改变（b 紫色区域）。这种局部微环境的改变会促使丝足（filopodia）的产生（b 虚线部分）。一些丝足与已经存在的轴突或树突产生相互作用，从而形成新的树突棘（c）。经过一段时间后，和学习行为相关的新生树突棘会被保留下来，而与学习关联较少的新生树突棘就会渐渐地消失（d）。