一种新型突触可塑性的机制步骤

　　

神经科学中一个长期存在的问题是哺乳动物(包括人类)的大脑如何适应外部环境、信息和经验。在《自然》杂志发表的一项范式转换研究中，德克萨斯州儿童医院和贝勒医学院的Jan和Dan Duncan神经学研究所(Duncan NRI)的研究人员发现了一种新型突触可塑性的机制步骤，称为行为时间尺度突触可塑性(BTSP)。这项研究由贝勒大学教授杰弗里·马吉博士领导，他也是霍华德·休斯医学研究所和邓肯NRI的研究员，揭示了内嗅皮层(EC)是如何向海马体(对空间导航、记忆编码和巩固至关重要的大脑区域)发送指导性信号的，并指导它专门重新组织其神经元的特定亚群的位置和活动，以实现对变化的环境和空间线索做出反应的改变行为。

神经元之间通过称为突触的连接传递电信号或化学物质进行通信。突触可塑性指的是这些神经元连接随着时间的推移而变得更强或更弱的适应能力，作为对外部环境变化的直接反应。我们的神经元能够对外界线索做出快速而准确的反应，这种适应能力对我们的生存和成长至关重要，也是学习和记忆的神经化学基础。

动物的大脑活动和行为会迅速适应空间变化

为了确定哺乳动物大脑具有适应性学习能力的机制，马吉实验室的博士后研究员、该研究的主要作者克里斯汀·格林伯格(Christine Grienberger)博士测量了一组特定位置细胞的活动，这是一种专门的海马神经元，负责构建和更新外部环境的“地图”。她在这些老鼠的大脑上安装了一台高倍显微镜，并在老鼠在线性跑步机上跑步时测量这些细胞的活动。

在初始阶段，小鼠适应这个实验设置，并在每一圈改变奖励(糖水)的位置。“在这个阶段，老鼠持续以相同的速度奔跑，同时持续舔舐跑道。这意味着这些老鼠体内的位置细胞形成了统一的平铺模式，”格林伯格博士说，他目前是布兰迪斯大学的助理教授。

在下一个阶段，她将奖励固定在轨道上的一个特定位置，以及一些视觉线索来确定老鼠的方向，并测量同一组神经元的活动。“我发现改变奖励位置会改变这些动物的行为。现在，老鼠在奖励地点前短暂放慢速度，以品尝糖水。更有趣的是，这种行为的改变伴随着奖赏部位周围位置细胞的密度和活性的增加。这表明，空间线索的变化可以导致海马神经元的适应性重组和活动，”格林伯格博士补充说。

这种实验范式使研究人员能够探索空间线索的变化如何塑造哺乳动物的大脑，从而引发适应性的新行为。

70多年来，赫伯理论——通俗地概括为“神经元一起发出信号，连接在一起”——奇特地主宰了神经科学家关于突触如何随着时间的推移而变强或变弱的观点。虽然这一经过充分研究的理论是神经科学领域若干进步的基础，但它也有一些局限性。2017年，马吉实验室的研究人员发现了一种新的、强大的突触可塑性类型——行为时间尺度突触可塑性(BTSP)，它克服了这些限制，提供了一个模型，最好地模拟了我们在现实生活中学习或记忆相关事件的时间尺度。

利用新的实验范式，格林伯格博士观察到，在第二阶段，在奖赏位置固定后，先前沉默的位置细胞神经元在单圈内突然获得了大的位置场。这一发现与非黑格尔形式的突触可塑性和学习是一致的。进一步的实验证实，观察到的海马位置细胞和这些小鼠行为的适应性变化确实是由于BTSP。

内嗅皮层指示海马位置细胞如何对空间变化作出反应

基于他们之前的研究，Magee团队知道BTSP涉及到一种指导性/监督性信号，这种信号不一定位于被激活的目标神经元(在这种情况下，是海马位置细胞)内部或附近。为了确定这一指导性信号的来源，他们研究了来自附近一个叫做内嗅皮层(EC)的大脑区域的轴突投射。内嗅皮层支配海马体的神经，充当海马体和控制高级执行/决策过程的新皮层区域之间的通道。

“我们发现，当我们专门抑制支配CA1海马神经元的EC轴突的一个子集时，它阻止了大脑中CA1奖励过度表现的发展，”马吉博士说。

基于几条调查线，他们得出结论，内嗅皮层提供了一个相对不变的目标指示信号，引导海马体重组位置细胞的位置和活动，进而影响动物的行为。

“大脑的一个部分(内嗅复合体)可以指导另一个大脑区域(海马体)改变其神经元(定位细胞)的位置和活动，这一发现是神经科学领域的一个非凡发现，”马吉博士补充说。“它完全改变了我们对大脑中依赖学习的变化是如何发生的观点，揭示了新的可能性领域，将改变和指导我们未来如何处理神经和神经退行性疾病。”

这项研究由霍华德·休斯医学研究所、卡伦基金会和德州儿童医院的简和丹·邓肯神经学研究所资助。

文章标题

Entorhinal cortex directs learning-related changes in CA1 representations