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科研动态 | 甘文标课题组在大脑突触水平上解析了运动学习与记忆的新机制

2022.09.19

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近期,深圳湾实验室神经疾病研究所的甘文标课题组在Cell Reports期刊发表了题为“Motor learning-induced new dendritic spines are preferentially involved in the learned task than existing spines”的研究论文,作者通过活体双光子成像技术探究了小鼠在运动学习过程中大脑突触的变化规律,揭示了学习诱导的新突触与旧突触在神经网络活动中的不同功能,在突触水平上解析了大脑信息存储的新机制。



学习记忆作为大脑的高级功能,对人们日常的工作和生活至关重要。而大脑的突触可塑性被普遍认为是学习记忆的基础,其相关研究主要包含突触强度和数目两方面的变化。以运动学习为例,既有的研究显示,学习诱导的已有突触的增强和新突触的产生及维持对记忆的巩固都很重要,但是新、旧突触在运动学习中的功能目前尚不清楚。

本项研究选用匀速跑步任务作为学习范式,发现新、旧突触参与运动学习的不同阶段,揭示了学习诱导的新突触区别于旧突触的任务特异性激活方式,从突触和胞体共激活等层面探索了新突触巩固记忆的作用机制。

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图1. 学习诱导的新树突棘比旧树突棘群体更特异地参与编码学过的任务

研究人员首先利用宫内胚胎电转技术实现对小鼠特定锥体神经元结构和钙活性的双标记,在小鼠执行跑步学习任务的不同阶段进行同步的活体双光子成像,通过实时追踪神经元的顶端树突的突触后结构—树突棘—的大小和数目增减来探测运动学习记忆过程中的突触可塑性(图1左上)。研究发现,旧树突棘通过增大的方式,参与在运动学习的早期;而选择性生长并存活于特定神经元上的新树突棘,则更特异性地参与后续的记忆巩固过程(图1右)。

研究人员还发现在小鼠执行已学过的任务时,新旧树突棘都能被明显的激活。但引入一项新任务之后,其激活方式出现了显著差异——新树突棘主要被激活于学习过的任务(任务特异性激活),而旧树突棘群体激活则没有任务特异性差异。不仅如此,新树突棘比旧树突棘显示出与神经元胞体更高的共激活程度。而且,神经元上生长的新树突棘越多,其任务特异性越高。这说明,新树突棘可能通过和胞体共激活的方式增强特定神经元的任务特异性和抗干扰能力,从而更高效的巩固运动记忆(图1左下)。

综上,这项研究发现了活体大脑初级运动皮层新、旧树突棘不同的变化规律,并从神经活动层面探索了新树突棘对记忆巩固的作用,为进一步研究大脑信息存储机制以及学习记忆障碍打下了重要基础。

深圳湾实验室神经疾病研究所助理研究员乔倩为本文第一作者,资深研究员甘文标为本文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、深圳市自由探索和学科布局、广州科技项目、深港脑院和深圳重大基础研究设施预研等项目的资助。


原文信息:

Motor learning-induced new dendritic spines are preferentially involved in the learned task than existing spines



文章来源 | 甘文标课题组

编辑 | 鲍 啦

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