作者:辛雨 来源:中国科学报 发布时间:2020/11/16 16:08:36
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大脑“音量旋钮”有助于治疗神经系统疾病

 

神经元细胞。图片来源:Giovanni Cancemi / stock.adobe.com

美国《国家科学院院刊》发表了第一项关于电信号形状如何影响突触功能的研究。该研究表明,调节大脑中电信号的“分子音量旋钮”有助于调节学习和记忆功能。这一发现可以帮助研究人员寻找治疗神经系统疾病的方法,包括阿尔茨海默病,帕金森氏病和癫痫。

该研究负责人、美国达特茅斯大学生物科学助理教授Michael Hoppa解释:“大脑中的突触是高度动态的,并且会发出音量不同的各种信息。这一发现使我们走上了一条能够治愈顽固神经系统疾病的捷径。”

突触是神经元上的微小接触点,可使大脑中的神经元以不同的频率进行交流。大脑将来自神经元的电输入转换成化学神经递质,神经递质则会穿过这些突触空间。释放的神经递质的数量将改变大脑回路中激活的神经元的数量和模式。而突触连接强度的重塑,是学习如何发生以及记忆如何形成的关键。

有两种不同功能支持着记忆和学习过程:一种是促进,是一系列快速增长的电脉冲信号,可以放大改变突触形状;另一种是抑制,减少了这类型的信号。两种形式共同作用使大脑保持平衡,防止癫痫等神经紊乱疾病的发作。

Hoppa说:“随着年龄的增长,维持突触的强度至关重要。我们需要平衡大脑的可塑性,并稳定突触连接。”

在这项研究中,研究小组发现电刺激作为模拟信号传递,其形状影响了神经元突触释放的化学神经递质的大小,这种机制的作用类似于一个可变设置的调光器。此前的研究认为,这些电脉冲信号是以数字信号形式传递的,更像是只能指向“开”或“关”的电灯开关。

“这些电脉冲信号的模拟,解开了我们理解大脑是如何形成记忆和学习的谜题,使用模拟信号为调节大脑回路的强度提供了更为简单的途径。”该论文第一作者、美国达特茅斯大学博士后In Ha Cho说。

早在1970年,诺贝尔奖得主Eric Kandel就在海蛞蝓身上研究了学习与电信号形状变化之间的联系。这一过程被认为不会发生在哺乳动物大脑中更复杂的突触中。而美国达特茅斯大学的研究除了发现在大脑海马体突触间流动的电信号是模拟信号外,还发现了调节电信号的分子——Kvβ1。

先前的研究已经验证了Kvβ1调节钾电流的作用,但却不知道它在控制电信号形状的突触中有任何作用。新的研究发现有助于解释为什么先前研究表明缺失Kvβ1分子会对小鼠和果蝇的学习、记忆和睡眠产生负面影响。

该研究还揭示了大脑在如此低的能量状态下,如何拥有这样高的计算能力——单一的模拟电脉冲可以携带多位信息,从而更好地实现对低频信号的控制。

“这有助于我们理解大脑是如何在很低的电脉冲率和相当于冰箱灯泡能量的超级计算机水平下工作的。我们对这些控制水平了解得越多,就能帮助我们了解大脑是如何如此高效的。”Hoppa说。

未来,该团队将关注这一研究发现与大脑在衰老过程中的新陈代谢变化,以及常见的神经系统紊乱有何关系。据研究团队称,调节电信号的分子系统存在于大脑的一个区域,而该区域很容易被药物定位,可能有助于药物疗法的发展。

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2000790117

 
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