如何构建比目前已知的任何事物都要复杂的神经元网络？
在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克大脑研究所的研究人员绘制了抑制性神经元回路的发育图谱，并报告发现了独特的回路形成原理。他们的发现使得科学家们能够监测神经元网络结构随时间的变化，从而捕捉到个体成长和适应环境的时刻。相关研究结果于2020年12月3日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Postnatal connectomic development of inhibition in mouse barrel cortex”。
图片来自Frontiers in Synaptic Neuroscience, 2014, doi:10.3389/fnsyn.2014.00023。科学家们正在开始更好地理解我们和动物大脑中发现的神经元网络的复杂性。但是，如此精确和错综复杂的神经元回路是如何首先建立起来的呢？我们知道神经元是如何诞生的，如何前往灰质中的位置，如何成长和分化。但是，数万亿个突触---神经元通过这些复杂的接触点“相互交谈”---通常在高度精确的位置展开，形成我们大脑的网络，它们是如何以及按照什么规则展开的？在这项研究中，论文通讯作者、马克斯-普朗克大脑研究所主任Moritz Helmstaedter及其研究团队分析了13个来自小鼠皮层的三维数据集，这些小鼠分别处于不同的发育阶段：在出生后，与人类婴儿、儿童、青少年和青年时期相对应的时间点。他们使用称为“连接组学（connectomics）”的方法，绘制出在大脑皮层灰质中发现的神经元回路，其中大多数大脑突触都存在于大脑皮层灰质中。通过着重关注于一类称为中间神经元（interneuron）的神经细胞的突触，他们能够跟踪这些特定类型的神经细胞选择突触搭档（synaptic partner）的发育过程。众所周知，中间神经元以高度特定的方式抑制其他神经元的活动。论文第一作者、马克斯-普朗克大脑研究所连接组学系博士生Anjali Gour解释说，“令人惊讶的是，不同类型的中间神经元遵循非常不同的时间过程来建立它们最喜欢的突触搭档。一些中间神经元能够在与婴儿大脑相对应的首个接受调查的回路阶段就已经以成人般的偏好支配它们的突触靶标。当皮层灰质中形成第一批化学突触时，这种情况就立即发生了。其他中间神经元则表现出靶标选择的显著改善，这很有可能是通过修剪不正确放置的突触引起的。”之前的研究已发现，在大脑的某些部位，发育不仅涉及新突触的创建，还需要移除突触。然而，发现突触移除（或者说修剪）对抑制性回路的形成具有精确和高度特异的功能是一个重大的惊喜。这些研究人员还发现，一类主要的中间神经元，即所谓的吊灯神经元（Chandelier neuron），被认为只在青春期早期才完全建立起来，它们对其突触搭档结构的支配比以前已知的要早得多，也更系统。尽管对连接组（connectome）的绘制本质上是一种“快照”技术，但是获得这些新的见解是有可能的：神经元网络可以在脑组织活检中测量，但不能在同一块大脑中随着时间的推移进一步跟踪。相反，需要在不同的大脑中进行多次测量。Gour说，“我们仍然能够从这些数据中提炼出清晰的发育轮廓，这说明了连接组数据中存在的信息密度。”她补充道，“我未曾预料到，我们能够在还在发育中的大脑中发现如此清晰的回路模式。”神经元网络形成的发育过程及其可能的破坏被认为是一些主要精神疾病的主要原因，一个特别的研究重点已经确定了抑制性回路对这些功能障碍的贡献。因此，精确而详细地了解抑制性回路是对此类疾病进行针对性分析和开发潜在干扰措施的前提。Helmstaedter说，“我们希望能够更精确地绘制皮层回路中在正常时和受到破坏时的网络形成图谱，以便了解精神疾病中可能的改变，并可能识别连接病（connectopathy）的表型。”这些研究人员在这篇论文中报告的内容相当于“连接组筛选（connectomic screening）”，这是由于最近连接组方法的更高通量得以实现的。“我们预计这种方法能像基因筛选一样具有广泛适用性：在一系列正常的和患病的情况下研究神经元网络的结构，以了解哺乳动物大脑中的变化和共性。”
1.Anjali Gour et al. Postnatal connectomic development of inhibition in mouse barrel cortex. Science, 2020, doi:10.1126/science.abb4534.
2.How networks form: Charting the developing brain
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