神經科學家首次即時捕捉腦細胞的適應過程

軸突起始段（AIS）是神經訊號的起始點，其適應能力對大腦功能至關重要。科學家發現，AIS會根據活動水平發生變化，幫助神經元維持平衡。藉由先進的成像技術，他們首次即時觀察到了這些變化，深化了我們對大腦可塑性的理解。

我們的神經細胞，也就是神經元，透過傳送稱為動作電位的快速電訊號進行溝通。這些訊號總是在神經元的一個特定部位——軸突起始段（AIS）開始。AIS是軸突的第一部分，軸突是神經元長而細的延伸部分，負責將訊號傳遞給其他神經細胞。它就像一個控制中心，在動作電位沿軸突向下傳遞資訊之前，決定何時啟動動作電位 。

科學家此前就發現，AIS並非固定不變的結構，它可以根據大腦的活動水平發生改變。這種稱為可塑性的適應能力，使大腦能夠調整其連線和結構，以調節電活動，而這是學習和記憶的重要過程。當大腦活動旺盛時，AIS可能會縮短；活動低迷時，它又可能會增長。然而，這些變化背後的確切機制以及發生的速度尚不明確。

在馬丁·科勒（Maarten Kole）實驗室工作的研究人員阿梅莉·弗雷亞（Amélie Fréal）和諾拉·賈曼（Nora Jamann），首次即時觀察到了這種適應能力。他們的開創性研究還確定了在軸突內驅動這些變化的分子過程。

在這個過程中，位於該段的離子門（也稱為鈉離子通道）是關鍵角色。研究團隊開發了新工具，用於研究這些鈉離子通道及其輔助蛋白。他們發現，細胞該段的鈉離子通道數量能在一小時內迅速改變。這種快速變化是由一種稱為胞吞作用的過程介導的，在此過程中，鈉離子通道被攝入細胞內的囊泡中。

諾拉·賈曼解釋道：「你可以把這種適應能力想成是一種放大器，能讓你微調輸入。AIS越長，所需的電流就越小，就能增強細胞的輸出。如果這一過程沒有得到適當調整，學習能力可能會受到影響。」

當你學習時，神經網路中的活動不斷波動。神經元需要在活動水平極端變化的情況下運作，活動水平過高或過低都可能對記憶形成有害。

她之前在小鼠身上進行的實驗就體現了這種適應能力：剪掉鬍鬚的小鼠接收的感覺輸入減少。結果，AIS中的鈉離子通道數量增加以維持平衡。反之亦然：如果輸入過多，比如將小鼠置於活動量高的新環境中，AIS會稍微縮短，鈉離子通道也會減少。但這一過程是如何運作的，以及這種可塑性發生的速度有多快，一直是神經科學家們的基本問題。

阿梅莉·弗雷亞表示：「為瞭解決這個問題，我們面臨了一個重大挑戰：如何即時捕捉可塑性？如果你想知道AIS是如何適應的，就需要親眼看到它的變化。在這個領域，以前是做不到的。在這項研究中，我們使用了兩種新工具：首先，是一種特殊的小鼠模型，其AIS用熒光蛋白做了標記，使我們能在腦切片中觀察其機制並記錄時間上的變化。其次，我們使用了分子工具，使細胞培養中的鈉離子通道可見。這首次讓即時追蹤鈉離子通道成為可能。」

賈曼繼續說：「我們在AIS中觀察到的可塑性，與我們所瞭解的突觸可塑性非常相似。突觸可塑性是最為人知的可塑性形式，它與兩個神經細胞之間的連線（突觸）強度的變化能力有關。突觸可塑性直接關係到學習和記憶。但同樣的機制也發生在AIS中。」

阿梅莉·弗雷亞補充道：「如果你想提出一個有挑戰性的觀點，甚至可以說，突觸中發生了很多變化，但只有相關資訊才會被傳遞到下一個神經細胞。這個決定是在AIS中做出的，所以這個區域的變化對細胞功能確實至關重要。」

弗雷亞總結道：「這項研究匯聚了不同領域的專業知識，我非常支援在研究中這樣做。馬丁·科勒的實驗室有所有記錄和觀察活動的裝置，而我帶來了對奈米級結構成像的新工具。透過合作，我們得以確定，當活動發生變化時，結構也會隨之改變。這一觀察結果將幫助我們從更廣泛的角度看待可塑性。在研究可塑性時，我們現在需要考慮AIS中的這些變化。透過這次合作，我們得以發揮各自的優勢，推動知識的進步。這是我最自豪的地方。」

參考文獻：《鈉離子通道胞吞作用驅動軸突起始段可塑性》，作者阿梅莉·弗雷亞、諾拉·賈曼、約琳·滕博斯、傑奎琳·詹森、娜奧米·彼得森、蒂耶門·利格特、卡斯珀·C·霍根拉德和馬丁·H·P·科勒，2023年9月15日，《科學進展》。DOI：10.1126/sciadv.adf3885