Nature文章揭示樹突新功能

日期：2013-10-29 09:17:59

樹突，這些神經元的樹枝狀突起，曾一度被人們認為只是大腦中的被動接線。而現在來自北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員證實，樹突所做的不僅僅是將信息從一個神經元傳遞給另一個。它們還積極地處理信息，擴大了大腦的計算能力。這些研究結果發表在10月27日的《自然》（Nature）雜志上。

卡羅來納大學醫學院助理教授Spencer Smith博士說：“大腦的處理能力仿佛一下子比我們原來認為的要大了很多。”

新研究發現有可能改變科學家們思考長期存在的、大腦中神經回路功能機制科學模型的方式，并幫助研究人員更好地理解神經系統疾病。

Smith說：“想象一下，你正在逆向操控一種外來技術，你本以為只是簡單的接線，結果發現它是計算信息的晶體管。新研究發現就是這樣。其意義想想都是激動人心的。”

軸突是神經元通常產生電尖峰脈沖的結構，而有許多支持軸突尖峰脈沖的分子也存在于樹突中。以往的研究曾用解剖腦組織證實了樹突可以利用這些分子來自身產生尖峰脈沖，但卻并不清楚正常的大腦活動是否與這些樹突尖峰脈沖有關。例如，樹突尖峰脈沖是否影響了我們如何看待事物？

Smith研究小組發現，答案是肯定的。樹突有效地發揮微型神經計算機作用，積極地處理了神經元輸入信號。

直接證明這一點花費了數年的時間，經歷了一系列復雜的實驗，研究從資深作者、倫敦大學學院Michael Hausser的實驗室開始，在Spencer Smith和Ikuko Smith與北卡羅來納大學建立他們自己的實驗室后完成。他們利用膜片鉗電生理學將一個裝滿生理溶液的顯微玻璃吸管電極，與小鼠大腦中的一個神經元樹突連接起來。當時的想法是直接“聽取”電信號轉導過程。

Smith說：“將吸管與一個樹突連接起來，在技術上是一個巨大的挑戰。你不能從任何方向接近樹突，你也看不到樹突。因此你不得不摸索著做這件事。這就像釣魚，你能看見的也就是魚的電蹤跡。并且你不能使用魚餌。你所能做的就是盡力去找到它，看看你是否能夠偶然碰到樹突。但大部分時間你都不能做到。”

而Smith建立了他自己的雙光子顯微鏡系統，使得事情變得較為容易。

在這一吸管連接上樹突之后，Smith研究人員獲取了麻醉和清醒小鼠大腦內個別樹突的電記錄。研究人員發現當小鼠看到一臺計算機屏幕上的視覺刺激時，樹突中有一種不同尋常的電信號模式。

Smith研究小組隨后證實，這種樹突電脈沖依賴于視覺刺激選擇性發生，表明樹突處理了動物正看到的事物的信息。

為了提供研究發現的視覺證據，Smith研究小組用鈣染料填充神經元，提供了尖峰脈沖的光學讀值。結果顯示樹突發射了尖峰脈沖，而神經元的其他部分則沒有，表明這些尖峰脈沖是樹突內局部處理信息的結果。

研究共同作者Tiago Branco博士構建出了一個神經元生物物理、數學模型，發現了一些已知的機制有可能支持了電記錄的樹突尖峰脈沖，進一步驗證了對這一數據的解讀。

Smith說：“所有的數據都指向了同樣的結果。樹突不是感覺驅動輸入信號的被動整合器；它們似乎還是一個計算部件。”

他的研究小組計劃探討這一新發現的樹突功能有可能在大腦回路，尤其是在Timothy綜合征這樣的樹突信號整合出錯的疾病中發揮何種作用。