成年后还能学习多少知识，由大脑的这个数量决定

撰文｜Anne Trafton

编译｜郑添惺

审校｜clefable

麻省理工学院（MIT）的一些神经科学家发现，成年的大脑中含有数百万个“静默突触”（silent synapses）。它们是神经元之间未成熟的神经突触，长期处于非活跃状态。直到这些突触被招募参与形成新记忆时，它们才会被激活。

此前，科学界一直认为静默突触仅出现在人类发育的早期阶段。在生命早期阶段，它们有助于大脑学习接触到的新信息，促进神经通路的形成和完善。不过麻省理工学院的这项研究发现，在成年小鼠的大脑皮层中，约30%的神经突触处于静默状态。

研究人员表示，这些静默突触的存在可能解释了成年人大脑为何能在不改变已有神经突触的情况下，持续生成新记忆和学习新事物。

“这些静默突触时刻寻找着新的连接。当重要的新信息出现时，相关神经元之间的连接就会被加强。这种模式允许大脑在创造新记忆的同时，不会覆盖已储存在成熟神经突触中的重要记忆。改变成熟的神经突触比改变静默突触更难。”麻省理工学院研究生、研究的主要作者Dimitra Vardalaki说道。

这篇论文发表在《自然》（Nature）杂志上，其资深作者是大脑与认知科学副教授Mark Harnett。麻省理工学院的化学工程副教授Kwanghun Chung也是作者之一。 

一个惊人的发现

几十年前，科学家首次发现静默突触时，它们主要存在于幼年小鼠和其他动物的大脑中。在这些动物发育的早期，这些突触被认为能帮助它们获取大量需要了解的信息，包括环境信息，以及如何与周围环境互动。小鼠研究显示，这些静默突触在它们出生约12天后（相当于人类出生后的第一个月）就会消失。

然而，一些神经科学家提出，静默突触的存在可能会一直持续到成年，促进新记忆的形成。研究人员在成瘾（被认为是一种异常学习障碍）动物模型中，找到了这方面的证据。因为成年人仍然具有神经可塑性和灵活学习的能力，这表明新连接的形成很普遍。

脊髓运动神经元 图片来源：Unslpash

美国哥伦比亚大学（Columbia University）的Stefano Fusi和Larry Abbott一直在从事该领域的理论研究。他们也认为，神经元必定拥有各种不同的可塑性机制，这样才能解释大脑为何既能有效地学习新事物，又能将它们保存在长期记忆中。在这种情况下，一些突触必须需要易于构建或改变，才能形成新记忆；而另一些突触则必须保持稳定的状态，才能保存长期记忆。

在研究中，Harnett领导的研究团队并没有专门去寻找静默突触。相反，他们是在跟进实验室此前研究中的一个有趣发现时，才有了这些新发现。他们发现，在单个神经元中，树突（神经元从胞体发出的、类似天线的细长突起）可以根据其位置以不同的方式处理突触输入。这些差异可能有助于神经元整合各种输入并产生适当的反应。

作为研究的一部分，研究人员尝试测量了不同树突分支上的神经递质受体，以探究是否有助于解释它们的行为差异。为此，他们使用了一种名为 eMAP（抗原表位放大分析蛋白质组）的技术。这项技术由Chung开发。利用这项技术，研究人员通过物理方法扩展组织样本，并标记样本中的特定蛋白质以获得超高分辨率图像。

他们在成像过程中，有了一个惊人的发现。“我们最先看到的是到处都是丝状伪足（Filopodia），这完全在我们的意料之外。”Harnett说。丝状伪足此前曾被观察到过，这是一种从树突上延伸出的薄膜状突起，不过神经科学家并不清楚它们的具体功能。部分是由于丝状伪足非常小，很难利用传统的成像技术观测到。 

图片来源：Unslpash

在这次观察之后，麻省理工学院（MIT）的研究小组开始尝试利用eMAP技术，在成年小鼠大脑的其他部位寻找丝状伪足。令他们惊讶的是，他们在小鼠的视觉皮层和其他脑区，发现了是以往观察数量10倍的丝状伪足。他们还发现，丝状伪足中存在一种名为NMDA受体的神经递质受体，而没有AMPA受体。

一个典型的活跃神经突触会同时拥有这两种类型的受体，它们能结合谷氨酸神经递质。NMDA受体通常需要与AMPA受体协同作用才能传递信号，因为当神经元处于正常的静息电位时，NMDA受体会被镁离子阻断。因此，当缺少AMPA受体而仅有NMDA受体时，神经突触是无法传递电流的，这种突触被称为“静默突触”。

让突触活跃起来

为了探究这些丝状伪足是否可能是静默突触，研究人员使用了一种改良的实验技术——膜片钳（patch clamping）。他们尝试模仿邻近神经元释放谷氨酸，来刺激丝状伪足，并用膜片钳技术监测单个丝状伪足产生的电活动。

利用这项技术，研究人员发现，除非通过实验解除NMDA受体受到的阻断，否则即使丝状伪足接收到谷氨酸的信号输入，也不会产生任何电信号。研究人员表示，这为丝状伪足代表大脑内静默突触这一理论，提供了强有力的支持。

研究人员还表明，可以通过联合谷氨酸释放和来自神经元胞体的电流，“唤醒”这些静默突触。这种联合刺激会促使AMPA受体在静默突触中积累，并与附近释放谷氨酸的轴突形成牢固的连接。

20世纪初的人体解剖大脑模型 图片来源：Unslpash

他们还发现，将静默突触转变为活跃的突触比改变成熟突触容易得多。“如果你从一个已有功能的突触着手，这种可塑性的方法就行不通了。”Harnett说，“成人大脑的突触阈值更高，这可能为了让记忆更稳定地被保存下来，而不是被不断覆盖。在这种情况下，丝状伪足可以被利用，有助于形成新的记忆。”

“灵活且强大”

研究人员表示，这一发现支持了Abbott和Fusi提出的理论，即成年人的大脑包含高度可塑性的突触，可以被招募用于形成新的记忆。“据我所知，这篇文章提供了第一个真正的证据，证明在哺乳动物大脑中确实存在这样的运作方式。”Harnett说，“丝状伪足让记忆系统兼具灵活性和稳定性。获取新信息需要灵活性，但保留重要信息需要稳定性。”

研究人员仍然继续在人类脑组织中寻找静默突触的证据。他们还希望研究这些突触的数量或功能，是否会受到衰老或神经变性疾病等因素的影响。“这也意味着，我们完全有可能改变记忆系统的灵活性。改变行为习惯或汲取新信息可能会变得更加困难。”哈内特说，“不过我们可以畅想，如果未来科学家找到了丝状伪足中的一些分子机制，并尝试进行操纵，那么即使我们变老了，也有可能有办法恢复灵活的记忆。”

当然除了研究成年后，人和其他动物为何能学习新的知识，形成新的记忆之外，很多神经科学领域的研究人员也在研究大脑如何把酒吧、约会、爱因斯坦等不同概念编码到在我们的大脑中的？这些我们自然具备的能力之中，其实藏着大脑运行的复杂法则。