《Science》早期大脑线路由自发细胞活动驱动

在人类中，学习的过程是由大脑中不同的细胞群共同激活的。例如，当与识别狗的过程相关的神经元开始以协调的方式对编码狗特征的细胞做出反应时——四条腿，皮毛，一条尾巴——一个年幼的孩子最终将能够识别狗。但大脑线路在人类出生之前就开始了，在他们有视觉等经验或感官来引导这种细胞线路之前。这是怎么发生的?

在8月15日发表在《Science》杂志上的一项新研究中，耶鲁大学的研究人员发现，在经历有机会塑造大脑之前，脑细胞是如何在早期发育中开始融合成这种有线网络的。事实证明，早期的发育遵循着与后期发育相同的规则。一起放电的细胞连接在一起。但它不是经验的驱动力，而是自发的细胞活动。

“我们正在研究的一个基本问题是，大脑在发育过程中是如何形成的，”该研究的资深作者之一、耶鲁大学医学院威廉·齐格勒三世神经科学教授Michael Crair说。“控制大脑线路的规则和机制是什么?”这些发现有助于回答这个问题。”

在这项研究中，研究人员专注于小鼠视网膜神经节细胞，这些细胞从视网膜投射到大脑的上丘区域，在那里它们与下游目标神经元相连。研究人员同时测量了一个视网膜神经节细胞的活动，该细胞在发育过程中发生的解剖变化，以及尚未睁开眼睛的醒着的新生小鼠周围细胞的活动。这项技术上复杂的实验是通过先进的显微镜技术和荧光蛋白来指示细胞活性和解剖变化的。

先前的研究表明，在感官体验发生之前——例如，当人类还在子宫里的时候，或者在年轻的鼠睁开眼睛之前的日子里——自发产生的神经元活动相互关联并形成波。在这项新研究中，研究人员发现，当单个视网膜神经节细胞的活动与周围细胞的自发活动波高度同步时，单个细胞的轴突，细胞与其他细胞连接的部分，长出新的树枝。当活动不同步时，轴突分支反而被消除。

该研究的资深作者之一，耶鲁医学院神经科学助理教授Liang Liang说：“这告诉我们，当这些细胞一起放电时，联系就会加强。轴突的分支使得视网膜神经节细胞和上丘回路中共享同步活动的神经元之间建立了更多的连接。”

这一发现遵循了所谓的“赫布规则”，这是心理学家唐纳德·赫布(Donald Hebb)在1949年提出的一个想法。当时Hebb提出，当一个细胞反复引起另一个细胞放电时，两者之间的联系就会加强。

“赫布法则在心理学上得到了广泛应用，用来解释学习的大脑基础，”Crair说，他也是负责研究的副教务长和眼科学与视觉科学教授。“在这里，我们表明它也适用于亚细胞精度的早期大脑发育。”

在这项新研究中，研究人员还能够确定细胞分支形成最有可能发生的地方，当研究人员干扰细胞和自发波之间的同步时，这种模式被破坏了。

自发活动发生在其他几个神经回路中，包括脊髓、海马体和耳蜗。Crair说，虽然这些区域的细胞活动的具体模式不同，但类似的规则可能支配着这些回路中细胞布线的发生方式。

接下来，研究人员将探索这些轴突分支模式是否会在老鼠睁开眼睛后持续存在，以及当一个新的轴突分支形成时，下游连接的神经元会发生什么。

“Crair和Liang的实验室将继续结合我们在大脑发育和单细胞成像方面的专业知识，研究在不同发育阶段，神经活动的精确模式如何指导大脑回路的组装和完善，”Liang说。

这项研究得到了耶鲁大学医学院Kavli神经科学研究所的部分支持。