新工具揭示了我们学习时大脑中发生的事情

加利福尼亚州拉霍拉——斯克里普斯研究所的科学家们开发了一种新工具来监测大脑的可塑性——我们的大脑在学习和体验事物时重塑和身体适应的方式，从看电影到学习新的歌曲或语言。他们的方法测量了由个体类型的脑细胞产生的蛋白质，有可能回答有关大脑如何工作的基本问题，并阐明许多可塑性出错的脑部疾病。

几个实验室的先前实验已经揭示了大脑活动如何神经元中基因表达的变化，这是可塑性的早期步骤。该团队的实验于 9 月 7 日在《神经科学杂志》上进行了描述，重点关注可塑性的下一个重要步骤，即将遗传密码翻译成蛋白质。

“我们仍然不了解大脑中细胞如何响应经验而变化的所有机制，但这种方法为我们提供了一个了解这一过程的新窗口，” Hahn 教授兼斯克里普斯神经科学系主任Hollis Cline 博士说新工作的研究和高级作者。

当你学习新事物时，会发生两件事：首先，神经元会立即沿着大脑中的新路径传递电信号。然后，随着时间的推移，这会导致细胞的物理结构及其在大脑中的连接发生变化。但科学家们长期以来一直想知道在这两个步骤之间会发生什么。神经元中的这种电活动如何最终诱使大脑以更持久的方式发生变化?更进一步，这种可塑性如何以及为什么会随着年龄和某些疾病而降低?

此前，研究人员研究了神经元中的基因如何响应大脑活动而开启和关闭，希望能够深入了解可塑性。随着高通量基因测序技术的出现，以这种方式追踪基因变得相对容易。但这些基因中的大多数都编码蛋白质——细胞的真正主力，其水平更难以监测。但克莱恩与斯克里普斯教授约翰耶茨三世博士和副教授安东马克西莫夫博士密切合作，希望直接研究大脑中蛋白质的变化。

“我们想跳入池子的深处，看看哪些蛋白质对大脑的可塑性很重要，”克莱恩说。

该团队设计了一个系统，在该系统中，他们可以一次将一种特殊标记的氨基酸(蛋白质的组成部分之一)引入一种神经元。当细胞产生新的蛋白质时，它们会将这种氨基酸叠氮亮氨酸整合到它们的结构中。通过随着时间的推移跟踪哪些蛋白质含有叠氮基亮氨酸，研究人员可以监测新制造的蛋白质并将它们与预先存在的蛋白质区分开来。

Cline 的研究小组使用叠氮酰亮氨酸来追踪在小鼠大脑活动出现大而广泛的峰值后制造了哪些蛋白质，模拟了当我们体验周围世界时在较小范围内发生的情况。该团队专注于皮质谷氨酸能神经元，这是一种负责处理感觉信息的主要脑细胞。

在神经活动增加后，研究人员发现神经元中 300 种不同蛋白质的水平发生了变化。虽然三分之二在大脑活动高峰期间增加，但其余三分之一的合成减少。通过分析这些所谓的“候选可塑性蛋白”的作用，克莱恩和她的同事们能够大致了解它们如何影响可塑性。例如，许多蛋白质与神经元的结构和形状以及它们如何与其他细胞交流有关。这些蛋白质提出了大脑活动可以立即开始影响细胞之间连接的方式。

此外，一些蛋白质与 DNA 在细胞内的包装方式有关。改变这种包装可以改变细胞在很长一段时间内可以访问和使用的基因。这表明大脑活动的一个非常短暂的峰值可以导致大脑内更持续的重塑。

“这是一个明确的机制，大脑活动的变化可以导致多天的基因表达波，”克莱恩说。

研究人员希望使用这种方法来发现和研究其他候选可塑性蛋白，例如在动物看到新的视觉后可能在不同类型的脑细胞中发生变化的可塑性蛋白。Cline 说，他们的工具还可以通过比较大脑活动如何影响年轻人与老年人以及健康与患病大脑的蛋白质生产，从而提供对大脑疾病和衰老的洞察。

除了 Cline、Yates 和 Maximov，该研究“活动诱导的皮质谷氨酸能神经元新生蛋白”的作者还包括 Scripps Research 的 Lucio Schiapparelli、Yi Xie、Pranav Sharma、Daniel McClatchy 和 Yuanhui Ma。