新的研究揭示了神经元如何以与学习时间尺度相一致的方式编码信息的关键步骤。
本周，德国马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所发表的一项最新研究，揭示了与神经元如何在与学习相对应的时间尺度上处理信息相关的重要机制，文章刊登在《自然》期刊上。
时间不匹配
学习可以在几秒到几分钟内发生。然而，大脑编码信息的最理解机制以更快的速度运作——大约快1000倍。这些过程被称为海贝尔可塑性，意味着如果两个相互连接的神经元在百分之一秒内同时激活，它们之间的连接就会变得更强。这使得在这一短时间内，这些连接的神经元所接收的信息可以关联在一起。然而，在活动过程中，必须一起编码的信息往往会间隔几秒或几分钟。那么，神经元如何能在与学习相关的时间跨度内结合信息呢？
学习的新模型
最近，研究人员提出了一个新的信息编码神经框架，称为行为时间尺度突触可塑性（BTSP），通过展示神经元可以在几秒内同化信息，从而解决了这一不一致性，匹配行为时间尺度。实际上，在如导航等活动中，神经元使用BTSP编码特定位置。然而，神经元实施BTSP的生物过程之前尚未被识别。
本周，由安南特·贾因博士、仲田仁士博士和科学主任安田亮平博士领导的一个团队揭示了BTSP在神经元中运作的关键组成部分，总结了他们对这一重要可塑性模型的广泛研究。
安田博士分享了团队开展这一项目的动机，表示：“理解神经元用于编码信息的特定分子和机制对于掌握大脑功能和健康至关重要。该领域的研究主要集中在传统的可塑性模型上，这些模型在通过经验学习时可能不太适用。研究BTSP等新可塑性模型的分子机制至关重要。”
团队首先旨在在孤立的脑组织中建模BTSP，使他们能够准确观察到神经元发生的变化。他们成功地在约1秒间隔的输入下触发BTSP，确认了信息储存的延长时间跨度。他们还发现BTSP发生在单个突触上，这是信息编码特异性的关键因素。通过将神经元活动的电生理测量与专业显微镜和生物传感器相结合，他们能够实时可视化BTSP过程中发生的分子变化，以确认它们的功能。
CaMKII：同一个参与者，不同的角色
研究团队聚焦于一种称为CaMKII的分子，它在神经元各种类型的可塑性中扮演着重要角色。
贾因博士解释道：“我们怀疑CaMKII在BTSP中会发挥关键作用。这个分子在突触处激活，可以保持活跃状态数秒。它似乎是扩展神经元信息整合时间的理想候选者。”他表示，“事实证明，我们在识别CaMKII是BTSP的关键方面上是正确的，但我们对其功能的认识则完全错误。”
在破坏CaMKII的功能后，团队注意到BTSP受到了影响。为了观察在BTSP过程中神经元中CaMKII的活动，他们开发了一种指示CaMKII何时活跃的生物传感器。借助这种敏感度几乎是早期版本的两倍的新传感器，研究人员能够在BTSP过程中测量CaMKII的活性。令人惊讶的是，他们没有发现预期的情况。
与最初的预期相反，他们在BTSP诱导期间未发现可观察到的CaMKII激活。相反，在BTSP启动数秒后，观察到CaMKII的延迟和随机激活。此外，当可塑性在特定突触上发生时，CaMKII激活则发生在神经元的更大范围内。这项研究表明CaMKII作为BTSP的指示信号，但并不确定可塑性的突触特异性，暗示着突触可塑性的时间范围更广，以及关于突触特异性和指示信号如何可以在几秒内整合的新视角。
贾因博士表示：“这构成了我们对CaMKII功能和可塑性机制理解的根本转变。在树突中的CaMKII活动表明，它并不决定可塑性的突触特异性；而是有助于树突信息处理。我们的发现引发了许多新的问题需要进一步探讨，包括什么定义了个别突触的信息编码特异性，或CaMKII激活的延迟。”他补充道：“这些意外的结果突显了理解大脑如何编码信息所需的行为相关模型的重要性，帮助我们最终目标是将分子活动与记忆形成联系起来，并解决与学习和记忆障碍相关的神经疾病。”
