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人類的學(xué)習(xí)之旅始于大腦內(nèi)部錯綜復(fù)雜的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。例如，當(dāng)?shù)谝淮慰吹讲⒆R別狗狗的特征——四條腿、毛皮、尾巴，大腦中的神經(jīng)元開始協(xié)同工作，響應(yīng)編碼這些特征的信號，這使得幼兒學(xué)會了辨認(rèn)小狗。然而，在個體出生前，甚至在任何實際經(jīng)驗和感官輸入引導(dǎo)細(xì)胞回路構(gòu)建之前，大腦就已經(jīng)在悄然搭建其基礎(chǔ)架構(gòu)。那么，這一切是如何啟動的呢？

耶魯大學(xué)的研究團(tuán)隊在最新研究中揭示了答案：在經(jīng)驗尚未來得及塑形大腦之前，腦細(xì)胞就已按照一套固有的規(guī)則開始組織成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這一規(guī)則與后期經(jīng)驗驅(qū)動下的神經(jīng)連接形成相同，即“一起活躍的細(xì)胞會聯(lián)結(jié)在一起”。不過，這里的驅(qū)動力并非外部經(jīng)驗，而是源自細(xì)胞內(nèi)部的自發(fā)活動。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2024年8月16日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Hebbian instruction of axonal connectivity by endogenous correlated spontaneous activity”。

論文的共同通訊作者、耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授Michael Crair闡述：“我們的核心問題在于大腦發(fā)育期間神經(jīng)線路的形成機(jī)制，以及指導(dǎo)其布局的內(nèi)在法則。”

本研究聚焦于小鼠的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，這些細(xì)胞向大腦中的上丘區(qū)投射信號，與下游神經(jīng)元建立聯(lián)系。研究人員監(jiān)測了單個視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的活性變化、以及其發(fā)育過程中的結(jié)構(gòu)演變。此外，他們還對眼睛尚未睜開的清醒新生鼠的細(xì)胞活動進(jìn)行了檢測。先進(jìn)顯微技術(shù)與熒光蛋白的結(jié)合應(yīng)用，讓追蹤細(xì)胞活動及其形態(tài)改變成為可能。

以往研究已證實，即使在感官體驗出現(xiàn)前，比如人類胎兒期或幼鼠睜眼前數(shù)天，神經(jīng)元的自發(fā)活動會相互關(guān)聯(lián)，形成波動。在本項研究中，研究人員觀察到，當(dāng)單個視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的活動與鄰近細(xì)胞的自發(fā)波動高度一致時，該細(xì)胞的軸突——負(fù)責(zé)細(xì)胞間連接的部分，會生發(fā)出新的分支；反之，若活動同步性低，則軸突分支將被修剪。

共同通訊作者、耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)助理教授Liang Liang指出：“當(dāng)細(xì)胞同步放電時，它們之間的聯(lián)系得到強(qiáng)化。軸突的新分支有助于視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞與上丘中同步活躍的神經(jīng)元建立更多連接。”這一發(fā)現(xiàn)呼應(yīng)了心理學(xué)家Donald Hebb在1949年提出的“赫伯定律”——當(dāng)一細(xì)胞反復(fù)激發(fā)另一細(xì)胞放電，兩者的聯(lián)系就會增強(qiáng)。

圖片來自Science, 2024, doi:10.1126/science.adh7814

Crair強(qiáng)調(diào)：“赫伯定律在心理學(xué)領(lǐng)域被廣泛用于闡釋大腦學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，而我們的研究在細(xì)胞層面驗證了它同樣適用于早期大腦發(fā)育。”通過干擾細(xì)胞與自發(fā)波動間的同步性，研究團(tuán)隊進(jìn)一步確認(rèn)了細(xì)胞分支形成的最佳位置。類似自發(fā)活動現(xiàn)象亦出現(xiàn)在脊髓、海馬體和耳蝸等區(qū)域，盡管具體模式各異，但相似的規(guī)律可能主導(dǎo)著這些回路的細(xì)胞布線方式。

未來研究將探究這些軸突分支模式在小鼠睜眼后是否持續(xù)，以及新分支形成時下游神經(jīng)元如何響應(yīng)。Liang表示：“我們將繼續(xù)整合大腦發(fā)育與單細(xì)胞成像的專業(yè)知識，探索精確神經(jīng)活動模式如何引領(lǐng)大腦回路的裝配與優(yōu)化，貫穿整個發(fā)育階段。”

參考資料：

Naoyuki Matsumoto et al. Hebbian instruction of axonal connectivity by endogenous correlated spontaneous activity. Science, 2024, doi:10.1126/science.adh7814.