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大脑“分子音量旋钮”有助治疗神经疾病

作者:大奖网 时间:2020-11-17 13:51:16 来源:中国科学报

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神经元细胞。图片来源:Giovanni Cancemi


  近日,美国《国家科学院院刊》发表了首个关于电信号形状如何影响突触功能的研究。研究结果表明,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,包括阿尔茨海默病、帕金森病和癫痫。


  该研究负责人、美国达特茅斯学院生物科学助理教授Michael Hoppa解释说:“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。”


  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。研究已经发现,有两种不同功能支持着大脑记忆和学习过程:一种是促进,快速增长的电脉冲信号可以放大改变突触形状;另一种是抑制,减少这一类型的信号。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。Hoppa说:“随着年龄的增长,我们需要平衡大脑的可塑性,并稳定突触连接。”


  在这项研究中,研究小组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化学神经递质,这种机制的作用类似于一个可变的调光器。此前的研究认为,这些电脉冲信号是以数字信号形式传递的,更像是“开”或“关”的电灯开关。


  “对这些电脉冲信号的模拟,解开了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简单的途径。”该论文第一作者、达特茅斯学院博士后In Ha Cho说。


  早在1970年,诺贝尔奖得主Eric Kandel就在海蛞蝓身上研究了学习与电信号形状变化之间的联系。这一过程被认为不会发生在哺乳动物大脑更复杂的突触中。而该新研究除了发现在大脑海马体突触间流动的电信号是模拟信号外,还发现了调节电信号的分子——Kvβ1。


  先前的研究已经验证了Kvβ1能调节钾电流,但却不知道它在控制电信号形状的突触中有何作用。新发现有助于解释为什么先前研究表明缺失Kvβ1分子会对小鼠和果蝇的学习、记忆和睡眠产生负面影响。


  该研究还揭示了大脑在如此低的能量状态下,如何拥有高计算能力——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。


  “这有助于我们理解大脑是如何在很低的电脉冲率和相当于冰箱灯泡能量的超级计算机水平下工作的。我们对这些控制水平了解得越多,就越有助于了解大脑是为何如此高效的。”Hoppa说。


  未来,该团队将关注这一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。研究人员表示,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,可能有助于药物疗法的发展。


  相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2000790117


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