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原创 Dartmouth 世界顶尖科学家论坛
达特茅斯大学的一项研究表明，调节大脑中电信号的“分子音量旋钮”有助于调节学习和记忆功能。这一发现可以帮助研究人员寻找治疗神经系统疾病的方法，包括阿尔茨海默氏病，帕金森氏病和癫痫病。
神经元 图｜Giovanni Cancemi
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大脑中的声音来自哪里？
让我们从回顾中学生物知识开始：神经元之间以电信号进行传导，那么神经元之间如何交流？
……
答案是突触
达特茅斯大学生物科学助理教授、该项研究的负责人迈克尔·霍帕（Michael Hoppa）解释到：“我们大脑中的突触是高度动态的，并且会发出音量不同的各种信息。这一发现使我们走上了一条能够治愈顽固神经系统疾病的捷径。”
迈克尔·霍帕解释大脑和未来的关系 图｜DARTMOUTH
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突触如何影响记忆和学习过程？
突触是神经元上的微小接触点，可使大脑中的神经元以不同的频率进行交流。大脑将来自神经元的电输入转换成化学神经递质，神经递质则会穿过这些突触空间。释放的神经递质的数量将改变大脑回路中激活的神经元的数量和模式。
而突触连接强度的重塑，是学习如何发生以及记忆如何形成的关键。
两种不同功能支持着记忆和学习过程：其中一种是促进，一系列快速增长的电脉冲信号，可以放大改变突触形状的信号；另一种则是抑制，减少了这类型的信号。两种形式共同作用，使大脑保持平衡，防止癫痫等神经紊乱疾病的发作。
神经元放电过程 图｜chinaso
霍帕说：“随着年龄的增长，维持突触的强度至关重要。我们需要平衡大脑的可塑性，并稳定突触连接。”
在过去几十年中，研究人员一直在寻找突触可塑性的分子调节因子，但由于神经末梢非常微小，电脉冲的测量一直很难实现。达特茅斯大学的最新研究，提供了测量的技术基础：利用光来测量大脑神经元突触连接处的电信号，从而测得电压和神经递质的释放。
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电信号如何促进突触功能？
该研究的重点落脚于海马体，也是我们熟知的负责学习和记忆的大脑中枢。
研究发现，电刺激作为模拟信号传递，其形状影响了神经元突触释放的化学神经递质的大小，我们可以把这种作用机制想象成一个灵活可变的调音器。而之前的研究认为，这些电脉冲信号是以数字信号形式传递的，更像是只能指向“开”或“关”的电灯开关。
人脑中的海马体 图｜Verywell Mind
“这些电脉冲信号的模拟，解开了我们理解大脑是如何形成记忆和学习的谜题；使用模拟信号为调节大脑回路的强度提供了更为简单的途径。”达特茅斯大学博士后、论文的第一作者In Ha Cho如是说到。
其实早在1970年，诺贝尔奖得主埃里克·坎德尔就在海洋海蛞蝓身上，研究了学习与电信号形状变化之间的联系。但在当时，这一过程并没有被认为能够发生在哺乳动物大脑中更复杂的突触中。
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电信号调节突触，谁来调节电信号？
除了发现流过海马体突触的电信号是模拟信号外，该研究还发现了调节电信号的分子：Kvβ1。
先前的研究已经验证了Kvβ1调节钾电流的作用，但却不知道它在控制电信号形状的突触中有任何作用。新的研究发现为我们解释了过去尚未得到合理阐述的现象：为什么缺失Kvβ1分子会对小鼠和果蝇的学习、记忆和睡眠产生负面影响。
该研究还揭示出大脑在如此低的能量状态下，如何拥有这样高的计算能力——单一的模拟电脉冲可以携带多位信息，从而更好地实现对低频信号的控制。
神经元之间创造新连接 图｜sciencenews
霍帕用一个比喻形象地说明了大脑的潜能：“这项研究有助于我们理解，大脑如何能够在超级计算机水平上工作，要知道大脑的电脉冲比率要低得多，能量相当于一个冰箱小灯泡。我们对这些控制水平了解得越多，就越清楚我们的大脑是如何如此高效的。”
在未来，该团队将关注这一研究发现与大脑在衰老过程中的新陈代谢变化，以及常见的神经系统紊乱有何关系。
根据研究团队的说法，调节电信号的分子系统存在于大脑的一个区域，而该区域很容易被药物定位，就可能有助于药物疗法的发展。
Journal Reference:
In Ha Cho, Lauren C. Panzera, Morven Chin, Scott A. Alpizar, Genaro E. Olveda, Robert A. Hill, Michael B. Hoppa. The potassium channel subunit Kvβ1 serves as a major control point for synaptic facilitation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202000790 DOI: 10.1073/pnas.2000790117
*编译稿件仅供参考，以原文为准。
编译｜阿曼
排版｜木木
编辑｜羽华
责编｜小文
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发表于 2021-2-18 14:28:48
