树突之战：神经元如何竞争以切断连接

九州大学的科学家发现了大脑发育中一个关键但经常被忽视的阶段（称为突触修剪）的潜在机制。研究小组使用小鼠二尖瓣细胞（嗅觉系统中的一种神经元）进行研究。 他们发现，当神经元接受神经递质信号时，受体树突会通过一系列化学途径受到保护。 同时，去极化会触发同一细胞的其他树突遵循一条促进修剪的单独途径。 该研究结果最近发表在《发育细胞》杂志上。

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九州大学的研究人员发现了调节突触修剪的化学途径，突触修剪是大脑发育中的一个关键阶段，在这个阶段，过度的和不正确的神经元连接被消除了。研究小组发现，在神经递质信号的存在下，接收树突受到保护，而同一神经元的其他树突则被设定为修剪的路径，这种机制有助于完善神经网络并促进大脑的正常成熟。

神经元如何连接和重塑自身是神经生物学的一个基本问题。 正确网络背后的关键概念是神经元形成并加强与其他神经元的连接，同时修剪过多和不正确的神经元。

“神经回路重塑中的一个常见短语是‘一起发射’和‘不同步，失去链接’。前者描述了在彼此之间传递信号的神经元如何倾向于加强连接，而后者解释了在没有所述信号传导的状况。”领导这项研究的九州大学医学部教授今井武 (Takeshi Imai) 解释道。 “这是一个精炼的过程，对于大脑的正常成熟至关重要。”

出生两天后小鼠的嗅球带有荧光指示信号。 嗅球中的信号中转站肾小球会自发地发出信号。 这种自发的信号传导最终将导致二尖瓣细胞的适当网络化和修剪。 该视频是使用双光子显微镜进行离体成像的。 图片来源：九州大学/今井实验室

几十年来，包括今井教授在内的研究人员探索了神经元如何形成和加强其连接的基本过程。 然而，这一过程中存在一个很少有人研究的重大缺陷：这些联系是如何消除的。

“神经元连接的消除，我们称之为修剪，是该领域每个人都知道和观察到的事情。 但如果查阅文献，就会发现缺乏对驱动这一过程的确切机制的研究。”第一作者 Satoshi Fujimoto 解释道。

连接的消除发生在神经系统的各处，例如神经肌肉接头，即向肌肉发送运动信号的神经元。 首先，肌纤维接收来自许多运动神经元的输入。 随着动物的成长，这些连接会得到微调，其中一些连接会得到加强，而另一些则会被消除，直到只有一个神经元连接到一根肌肉纤维。 这就是为什么你在很小的时候就缺乏运动控制和协调能力。

在早期发育中，称为二尖瓣细胞的神经元会生长多个分支以与多个肾小球连接。 就像盆景一样，随着发育的进展，树枝会得到加强和修剪。 但是，尽管研究人员仔细研究了分支强化的机制，但修剪是如何诱导的仍然没有得到充分研究。 九州大学的研究人员发现，当二尖瓣细胞接收神经递质谷氨酸时，随后的信号会触发 RhoA 的局部抑制，从而保护树突。 与此同时，去极化会激活未接受谷氨酸输入的树突中由 RhoA 控制的修剪机制。 获胜者树突通吃。 图片来源：九州大学/今井实验室

“我们决定研究神经元在重塑过程中究竟发生了什么，因此，我们研究了使用小鼠二尖瓣细胞，这是一种位于嗅球中的细胞，嗅球是涉及嗅觉的大脑中枢。 在成人中，二尖瓣细胞与称为肾小球的信号传导中转站有单一连接。 但在早期发育过程中，二尖瓣细胞会发出分支进入许多肾小球，”今井说道。 “随着时间的推移，这些分支会被修剪以留下单一的强连接。 最终，二尖瓣细胞只能嗅出特定类型的气味。”

首先，研究小组发现嗅球中神经递质谷氨酸的自发波有利于树突修剪。 然后，研究小组将重点放在二尖瓣细胞的内部信号传导通路上。 他们发现了一种独特的保护/惩罚机制，可以加强某些联系并开始修剪其他联系。

“我们发现，在二尖瓣细胞中，来自谷氨酸的信号对于修剪至关重要。 当谷氨酸与其树突中的受体 NMDAR 结合时，它会抑制称为 RhoA 的修剪机械分子，这个‘救救我’信号对于保护它免受修剪很重要。”

从小鼠出生的那一刻起，它们的二尖瓣细胞就会将多个树突延伸到多个肾小球中。 它们在出生后第三天左右在肾小球中形成分支和兴奋性突触。 到第六天，它们通过选择性修剪形成单个树突。 这使得仅从一种类型的嗅觉受体（气味传感器）接收信息成为可能，这是气味辨别的基础。 图片来源：九州大学/今井实验室

当谷氨酸输入时，二尖瓣细胞也会去极化并发出信号。 研究小组还发现，去极化会触发同一细胞其他树突中 RhoA 的激活，并启动修剪过程。 简而言之，接收直接谷氨酸信号的树突受到保护，而其他树突则被修剪。

今井解释说：“这种消除突触的‘惩罚’信号只作用于不受保护的突触，它解释了为什么只有强连接才能成为赢家，而所有其他介导弱和嘈杂输入的人都会成为输家。”

该团队的研究结果揭示了有关神经发育中被忽视但关键的阶段的新信息。“适当修剪神经元连接与加强网络同样重要。 如果任一方向出现问题，都可能导致不同类型的神经生理障碍。 例如，与精神分裂症相关的联系太少，而在自闭症谱系障碍患者中却发现了太多的联系。为了了解这些病症，我们需要仔细观察发展的每一步。”

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