文摘
在100多年前,诺贝尔奖得主·拉蒙-卡哈尔第一次描述了结构称为树突棘,位于大脑细胞的表面。自那时以来,科学家一直在试图理解树突棘是什么以及他们如何大脑的功能。即使是最新的技术,很难研究树突棘,因为他们是如此的小树突棘的变换是毫米,表面,有成千上万的大多数神经细胞在大脑中。树突棘后能够很快的根据情况改变形状和大小,一些研究人员认为他们大脑的结构创建并存储记忆的地方。这个假设是基于数以百计的研究表明,形成一个内存导致树突棘数量发生重大的变化,大小和形状。同样,防止树突棘改变可能阻止记忆形成。然而,仍有很长的路要走,我们可以确定确切位置记忆保存在大脑。未来的研究可以帮助我们回答这个有趣的谜语。
大约130年前,强大的显微镜开发允许研究人员发现大脑细胞神经元更多细节。当时,西班牙研究员·拉蒙-卡哈尔发现膜,大脑神经元或外壳,没有像科学家先前认为的那样顺利。他发现大脑神经元有成千上万的微小的扩展,每变换一毫米长,现在叫树突棘。对于这个工作,·拉蒙-卡哈尔赢得了1906年诺贝尔生理学或医学奖。
自那时以来,我们已经学到了大量关于树突棘。我们知道大多数人支持这些刺在大脑的一个主要地方创建并存储记忆(1]。这篇文章将解释、支持和扩大这一假设。
树突棘是什么?
让我们首先描述树突棘的部分。树突棘看起来像一个蘑菇(图1),大大的脑袋,一个薄的脖子。头两个神经元连接和交换信息的地方,一个叫做突触。头包含的所有组件从其他细胞神经元需要接收信息,包括分子表面受体,可以绑定到物质神经递质神经元之间传递信号;和物质控制受体的数量和他们的活动。
- 图1 -神经元的结构。
- 胞体(soma,底)是1/40毫米大小。胞体发出长扩展称为树突(D,正确的图,这是一个放大的图像上的细胞的一部分左),以及有各种大小的树突棘(年代,箭,一毫米的变换。
树突棘的脖子非常thin-about 1/10头的厚度或大约一毫米的1/2000。脖子上的一个功能就是维持神经元之间的关系和其他细胞神经网络,通过调节物质的运动的头。由于本条例,神经元变化响应刺激的方式。
据估计,有300 - 400种不同类型的物质进出树突棘的脖子,一些在很短的时间。这些物质的运动与分子工具可以控制或与某些药物。控制这些物质的通道可能改变树突棘的大小和形状。还可以控制树突棘的发送和接收电子信号的能力,这是一种神经细胞交流,但由于树突棘的小尺寸,今天我们不允许我们的方法来测量其电活动直接或可靠。这个测量问题,科学家很难确定脖子的角色在传输消息从神经元树突棘的头。
钙是一个重要的物质中发现少量的树突棘。除了钙在体内的许多角色,特别是在神经元,它还负责激活酶(生物分子,使反应更容易发生),启动信息从一个神经元的转移到另一个地方。有先进的实验室工具使我们能够精确测量中的钙神经元和树突棘。这些测试可以帮助我们了解头部和颈部脊椎的交流,也能给我们一个相当准确的树突棘改变他们的形状和功能。
树突棘在学习和记忆中的作用
树突棘的想法是与学习和记忆相关的测试在一系列的实验中,跟踪树突棘的结构改变在实验室老鼠的大脑和大脑切片。在这些实验中,研究者们观察了刺之前和之后的电刺激。电刺激引起的一种现象长期势差(LTP),这是表示为增加神经元的电刺激的反应,生成和树突树(参见图1)。过去50年,LTP在成千上万的实验观察研究了整个大脑,大脑切片,在实验室里和脑细胞生长。简而言之,这些实验表明,大脑使用LTP-like机制生成内存,如果这种机制是禁用的,记忆消失或不能获得。我们的发现LTP的树突棘后电刺激从而告诉我们,棘突触可塑性的一个重要的角色。同样,减少突触活动可能导致的过程长期抑郁(有限公司)不激活,树突棘突触伙伴(例如可能萎缩,失去图2底线)。
- 图2 -树突棘电刺激后的变化。
- (一)之前电刺激应用于突触前神经元(蓝色),树突棘存在于一个平静和平衡的状态。(B)蓝色的神经元电刺激后,这种现象称为长期势差(LTP)发生在树突棘,导致脊柱的头开始扩大,增加脊柱的大小膜(红色),导致创建新的刺。在一个相反的过程,突触前细胞停止采取行动,这一过程被称为长期抑郁(有限公司)发生,从而消除不活跃的刺在这一过程被称为“修剪”。(C)右下角。
当研究人员观察一个树突棘接触电刺激,他们发现,在几分之一秒内,有大量的钙离子涌入脊柱。因此,脊柱可以涨到3 - 4次的原来的大小。之后,有一个流动的神经递质受体的头部,脊柱,这就增加了脊柱对电刺激的反应(图2)。这种变化,在后面的阶段,在这一过程持续时间从几分钟到几个小时,导致形成新的树突棘。这些新的刺引起更强的细胞之间的联系。换句话说,在大脑中,学习都是基于树突棘的响应强度的改变和创造新的刺。这样,细胞之间的连接组成的记忆神经网络收紧。
树突棘在大脑衰老和疾病
另一个路径的理解学习和树突棘的变化之间的关系是看如何刺在成年动物的年龄变化。正如我们所知,随着成年人年龄的增长,记忆力逐渐下降。这个过程对每个人来说都是不一样的:一些老年人的经验大幅下降在内存中,而其他人则只有一个温和的衰退。这在脑功能下降,包括记忆,被称为认知能力下降。类似的现象也会发生在实验室的动物。研究已经发现了一个认知能力下降与树突棘的数量之间的相关性在实验室老鼠的大脑。这是老鼠的记忆丧失的增加,刺在神经元的数量也减少。这并不意味着减少刺的数量原因认知能力下降,但只有两观测之间存在正相关关系。还需要进一步的研究来证实并完全理解这些发现。
有有趣的另一个领域的研究进展树突棘是神经系统的疾病。这一主题的第一个研究中,研究人员检查了脆性X综合征患者的大脑神经细胞(2),一种疾病,导致不同程度的心理障碍,自闭症,和交流障碍(在其他事物之中)。这是发现树突棘并不完全开发这种综合症患者的大脑中。
虽然这些研究集中在理解大脑残疾和树突棘的结构之间的关系,他们无法解释这个过程导致残疾。完全理解错误的树突棘之间的关系和大脑功能的问题,我们应该能够解决这个问题,我们还没有3]。
摘要和结论
理解树突棘的结构和功能在大脑中是非常重要的,但也非常具有挑战性。首先,树突棘的微小的大小使他们难以获得,并在每个神经元有成千上万这样的刺。其次,有各种各样的树突棘,目前尚不清楚每种类型的角色是什么。除此之外,还有一个大,回答问题的身份记忆在大脑中“单位”和它是如何工作的:记忆是在一个树突棘,单个细胞,或一组的细胞彼此连接神经网络?研究人员只能回答这个如果他们能找到某个内存(信)说,在大脑中;通过破坏细胞树突棘/ /神经网络是否就只失去了任何其他特定内存内存或函数。如果我们能了解个体树突棘的结构和功能关系到整个大脑的功能,也许我们还可以修复特定刺恢复记忆和治疗与内存相关的疾病,如阿尔茨海默氏症。未来的一代又一代的神经科学家将面临这些challenges-maybe你将其中一个吗?
术语表
神经元:↑大脑的基本单位。它包含了接收端(刺和树突),发射端(突)和中央部分,soma,控制整个活动的单位。
树突棘:↑一个小结构相反的突触前终端(结束),从突触前细胞接收输入,和控制两个细胞之间的信息流动。
突触:↑两个神经元之间的连接,细胞之间的信息传输。
神经递质:↑一种化学物质,通过神经元之间的突触和它们之间传输信号。
神经网络:↑一系列的神经元,连接在一个网络从其他网络接收信息,修改信息,并将其传递到其他网络。网络可以包含数十数百万神经元,分享信息在大脑的特定区域。
酶:↑活细胞产生的一种蛋白质,帮助开始一个化学反应或过程。
长期势差(LTP):↑长期放大的电信号在大脑神经元,这加强了邻近的神经元之间的联系。
长期抑郁(有限公司):↑LTP的情况相反,即两个神经元之间的联系被削弱,导致失去连通性和最终失去记忆。
的利益冲突
作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
引用
[1]↑萨拉,C。,西格尔m . 2014。树突棘:结构和功能可塑性的轨迹。杂志。牧师。94:141 - 88。doi: 10.1152 / physrev.00012.2013
[2]↑特拉华公司所有,m . Yanovsky L。西格尔,M。Ben-Yosef, d . 2015。功能缺陷脆性X神经元来自人类胚胎干细胞。j . >。35:15295 - 306。doi: 10.1523 / jneurosci.0317 - 15.2015
[3]↑一杯啤酒,J。魏因斯托克,T。布劳恩,K。,西格尔m . 2015。在子宫内压力:产前编程的大脑可塑性和认知。医学杂志。精神病学。78:315-26。doi: 10.1016 / j.biopsych.2015.02.036