Nature新研究解析百年謎題

　　大腦是了解最少的人體器官，它包含一個龐大的電興奮神經元網絡，所有神經元通過它們樹突上的受體來彼此溝通信息。這些細胞以某種方式協同作用實現人類學習和記憶等壯舉。然而其機制是怎樣的呢?

　　研究人員知道樹突棘(dendritic spine)發揮了重要的作用。這些微小的膜性結構從樹突分支中伸出，遍布整個樹突樹(dendritic tree)，每個神經元上的樹突棘可以接收來自平均1000個其他神經元的信號。盡管發現它們已超過百年，然而直到今天其功能仍然只有部分被理解。

　　來自美國西北大學和霍華德休斯研究所(HHMI)Janelia Farm研究學院的科學家們近日為解開神經元“溝通”機制的謎題添加了一塊重要的拼圖。研究人員證實樹突棘在神經元中充當了電箱(electrical compartment)，隔離和放大了突觸接收的電信號。

　　Janelia Farm研究學院采用創新性實驗，結合西北大學的計算機模擬技術，測量了遍布樹突所有樹突棘的電反應，獲得了這一研究發現。相關論文發表《自然》(Nature)雜志上。

　　“這項研究的結果表明樹突棘反應和加工的不是突觸的化學輸入信號，而是電輸入信號，”論文的共同作者、溫伯格藝術與科學學院神經生物學教授、西北大學工程科學與應用數學教授William Kath說。

　　樹突棘具有各種形狀，但通常在頸部末端包含一個球狀棘。每個棘頭包含一個或兩個突觸，位置非常接近另一神經元的軸突。

　　科學家已經知道了樹突棘的一些化學特性：其表面的受體可對其他神經元釋放的谷氨酸和甘氨酸等大量神經遞質做出反應。然而由于樹突棘小到令人難以置信，約只有人類頭發直徑1/100，使得很難研究它的電特性。

　　在本研究中，HHMI Janelia Farm研究學院的研究人員采用三種實驗性技術評估了大鼠海馬中樹突棘的電特性。海馬是在記憶和空間導航中起重要作用的大腦區域。首先，研究人員利用兩個微型電極施以電流，測量了遍布樹突不同位點樹突棘的電壓反應。

　　他們還采用一種稱作“谷氨酸釋放”(glutamate uncaging)的技術引發了來自特異突觸的電反應，就好像突觸剛剛接收到來自鄰近神經元的一個信號一樣。在第三階段，他們則利用了一種鈣敏感染料，將其注入到神經元中，通過光學檢測樹突棘中的電壓改變。

　　西北大學的研究人員采用真實神經元計算機模型(由相同類型的大鼠神經元重建)構建了神經元的三維信息，精確描述了每個樹突的位置、直徑和電特性。計算機模擬與實驗結果相一致，表明遍布樹突的所有樹突棘的電阻是一致的，與它們所在樹突樹的位置無關。

　　雖然要完全了解大腦還需要開展許多的研究工作，了解有關樹突棘電處理的知識有可能推動阿爾茨海默氏癥和亨廷頓氏病等疾病的治療。

　　“大腦比我們構建的任何計算機都要復雜得多，了解它的運作機制推動的有可能不僅是醫學領域，還有我們從未考慮到的領域。我們可能學會如何加工信息，以我們現在只能猜測的各種方式，” Kath說。