学习和自我保护:大脑是如何适应的

如果中枢神经系统受到了损伤，比如中风后，大脑就需要通过自我重组来进行补偿。要做到这一点，神经细胞之间密集的分子网络——被称为细胞外基质——必须松解。这是各种各样的酶的工作，它们最终调节大脑的可塑性和稳定性。G?ttingen大学的研究人员研究了老鼠体内某些酶被阻断时会发生什么。根据大脑是健康的还是有病的，这种抑制有相反的效果。研究结果发表在《神经科学杂志》上。

　　

   

   

图像:大脑细胞外基质(ECM)的酶消化促进了神经元的可塑性(Akol等人，2021年)。这张荧光显微镜图像显示了老鼠视觉皮层的神经元被红色标记的ECM分子包裹着。上排:低放大倍数，下排:高放大倍数。图片来源: 哥廷根大学 论文通讯作者Siegrid Lowel

大脑是一个非常复杂和适应性强的器官。然而，大脑的适应力随着年龄的增长而降低：由于大脑中神经细胞之间的新连接不容易形成，大脑的可塑性就会降低。如果中枢神经系统受到了损伤，比如中风后，大脑就需要通过自我重组（reorganising）来进行补偿。要做到这一点，神经细胞之间密集的分子网络——被称为细胞外基质——必须松解。这是由各种各样的酶负责的工作，它们最终调节大脑的可塑性和稳定性。Göttingen大学的研究人员研究了小鼠体内某些酶被阻断时会发生什么，发现在健康大脑和中风过的大脑之间是不一样的，同样的抑制有相反的效果。研究结果发表在《神经科学杂志》上。

损伤的学习和恢复依赖于神经元连接的可塑性。大脑中位于神经细胞之间的细胞外基质 (ECM)是神经元网络发育和可塑性的基本调节器。当我们长大后，这种细胞外基质的“稳定性”增强，为稳定神经细胞之间现有的连接提供了一个“支架”，巩固了已习得的内容。如果我们经历了新的事情，细胞外基质必须被放松，以便形成新的连接。大脑的细胞外基质 (ECM)的 酶解被认为与调节稳定性和重组可塑性之间的稳态有关——在大脑中，这种稳定性和可塑性之间的关系是在基质中通过酶——诸如基质金属蛋白酶(MMPs)之类的——来调节的，这些酶可以“消化”细胞外基质，从而“放松”它。来自Göttingen大学的一个团队在一项新的研究中探究基质金属酶MMP2 和 MMP9 是否在介导成人初级视觉皮层 (V1) 可塑性以及中风诱导的小鼠视觉皮层可塑性损伤中发挥作用，他们发现，阻断基质金属蛋白酶MMP2和MMP9，在不同的个体中会产生相反的效果，这取决于大脑是健康还是疾病。

为了测量神经元的可塑性，科学家们让成年小鼠在数天内只通过一只眼睛看东西，并记录动物视觉皮层中由此产生的活动变化。在第一个实验中，他们用SB3CT阻断健康小鼠的MMP2和MMP9酶，检测健康小鼠视觉皮层的适应性，发现 7天后在这些小鼠中视觉神经元的可塑性也被阻断了（可抑制眼优势可塑性 (ODP)）。在第二个实验中，研究小组同样方法研究了中风后的小鼠——已知中风会导致MMPs在短期内大幅增加。在实验中，针对MMP2和MMP9酶的短期抑制产生了相反的效果：由于中风而大大降低的神经元可塑性得到了恢复，因此阻断MMP2和MMP9酶具有明显的治疗效果。研究人员认为这表明MMP2 和 MMP9 的蛋白水解活性是至关重要的，过高或者过低的酶活性都可能导致抑制神经元可塑性，需要在一个窄的范围内维持神经元可塑性。

Göttingen大学系统神经科学系的Siegrid Löwel教授说:“我们的研究设计不同于以往的许多研究，是‘基质降解’酶只在模拟治疗的实验性中风后才被阻断，结果表明，大脑中的MMPs必须得到很好的监测和精确的调整。健康大脑中含量过低会阻碍神经元的可塑性，而过高——比如中风后——也会阻碍神经元的可塑性。”