文獻：Hedrick, Nathan G., et al. "Learning binds new inputs into functional synaptic clusters via spinogenesis." Nature Neuroscience ( 2022 ) : 1-12.

DOI：10.1038/s41593-022-01086-6

作者：鬼手 | 封面：Syd Weiler

學習如何重塑我們的大腦？多年以來，科學家們試圖從不同的角度對學習行為作出系統性的解釋。一些人認為，學習會通過重塑神經環路（neural circuits）的方式，來改變大腦功能從而留下學習的印記（即記憶）。2009 年，來自歐洲和美國的科學家們第一次在大腦皮層中觀測到了學習行為中有新的樹突棘（spines）的產生。但這些新生的樹突棘是如何造成神經環路的改變，同時這些樹突棘是如何在我們的大腦中與既有的樹突棘相互作用的，我們知之甚少。

最近，來自加州大學圣地亞哥分校的赫德里克（Hedrick）等人，通過雙光子顯微技術和電子顯微技術，闡明了學習過程中小鼠腦中新生樹突棘的發生機理，揭示了其與既有樹突棘之間的相互關系，同時也向我們展示了新生樹突棘在神經環路的重塑與學習記憶的保存中扮演的重要角色。

a. 小鼠在聽覺提示下用左前肢按壓杠桿以接受獎勵，從而實現運動學習（b，c）

在這個實驗里，赫德里克等人采用了頭部固定雙光子成像，來觀察運動學習任務過程中，鼠腦初級運動皮層第二層和第三層中神經元的變化。

首先，（a）赫德里克等人利用雙光子顯微鏡成功地觀測到，與學習過程前（Session 1）相比，學習過程后（Session 11）鼠腦初級運動皮層中出現了樹突棘的新生（a 藍色箭頭）與原有樹突棘的增大（a 帶星號）。

接下來，他們觀測到，相比單獨地參與神經活動，新生成的樹突棘更偏向于和原有的樹突棘產生相互作用從而參與神經環路的重塑（d，e）。而這些原有的樹突棘多與同一神經活動有關聯，并在新生樹突棘周圍成簇分布。

我們不禁想問，這些樹突棘是如何在合適的部位產生的？換言之，新生的樹突棘如何才能找到合適的突觸前軸突，從而實現與原有樹突棘的協同激活？赫德里克等人用高分辨率的電子顯微鏡觀測到了在新生樹突棘周圍有絲足（filopodia）的產生，其中一部分絲足會與既有的軸突建立空間上的聯系，從而使他們的活動相互關聯（a）。

總的來說，赫德里克等人認為在學習過程的前期階段，突觸前軸突會將神經信號傳輸到動作相關的原有樹突棘（a MRS）。之后一部分神經突觸的活性會被增強（b 紅色區域），從而導致與其相近的局部微環境發生改變（b 紫色區域）。這種局部微環境的改變會促使絲足（filopodia）的產生（b 虛線部分）。一些絲足與已經存在的軸突或樹突產生相互作用，從而形成新的樹突棘（c）。經過一段時間后，和學習行為相關的新生樹突棘會被保留下來，而與學習關聯較少的新生樹突棘就會漸漸地消失（d）。