大脑惊人的自我平衡能力

揭示神经回路如何在不同比例的兴奋和抑制神经元之间达到平衡。

　　

 

   

图像:培养出80%的抑制神经元(红色)和20%的兴奋神经元(绿色)。抑制性神经元的比例大约是正常人的4倍。

资料来源:Tübingen大学

来自Tübingen和以色列的一组研究人员揭示了大脑结构如何在不寻常的条件下保持功能和稳定的动态。他们的研究结果可能为更好地理解和治疗癫痫和自闭症等疾病奠定基础。

我们大脑中的神经元相互连接，形成被称为神经回路的小功能单元。一个神经元通过突触与另一个神经元相连，可以通过发送信号将信息传递给第二个神经元。这进而可能促使第二个神经元向神经回路中的其他神经元传递信号。如果发生这种情况，第一个神经元很可能是一个兴奋性神经元:一个促使其他神经元兴奋的神经元。但具有完全相反任务的神经元对我们大脑的功能同样重要:抑制性神经元，这使得它们连接的神经元不太可能向其他神经元发送信号。

兴奋和抑制的相互作用对神经网络的正常功能至关重要。它的失调与许多神经和精神疾病有关，包括癫痫、阿尔茨海默病和自闭症。

从实验室的细胞培养…

有趣的是，抑制性神经元在不同大脑结构(如新皮质或海马体)中的比例，在个体一生中保持不变，通常在15%到30%之间。Tübingen大学和马克斯·普朗克生物控制论研究所的研究员安娜·列维娜表示:“这激起了我们的好奇心:这个特定比例到底有多重要?”由不同比例的兴奋性神经元和抑制性神经元组成的神经回路还能正常工作吗？她的合作者来自Rehovot(以色列)的魏茨曼科学研究所，他们设计了一个新的实验来回答这些问题。他们培养的培养基中含有不同甚至极端比例的兴奋性和抑制性神经元。

然后科学家们测量了这些人工设计的大脑组织的活动。令人感到惊讶的是，不同比例的兴奋性神经元和抑制性神经元网络仍然活跃，即使这些比例与自然条件相差很远，”列维娜的博士生奥列格·维诺格拉多夫表示。“只要抑制性神经元的比例保持在10%到90%的范围内，它们的活动就不会发生显著变化。”神经结构似乎有一种补偿其不寻常组成的方式来保持稳定和功能。

…达到理论上的理解

因此，研究人员自然提出了下一个问题:是什么机制让脑组织适应这些不同的条件?研究人员的理论是，网络通过调整连接的数量来适应:如果很少有抑制性神经元，它们就必须通过与其他神经元建立更多的突触来扮演更重要的角色。相反，如果抑制性神经元的比例很大，兴奋性神经元就必须通过建立更多的连接来弥补。

Tübingen科学家的理论模型可以解释他们在雷霍沃特的同事的实验发现，并揭示有助于维持大脑稳定动态的机制。该结果提供了一幅更清晰的画面，说明兴奋/抑制平衡是如何在活体的神经网络中进行维持的。从长远来看，它们可能对精准医学的新兴领域有用:诱导多能干细胞来源的神经培养可用于发现神经精神疾病的机制和新型药物。

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