中新網深圳4月24日電(王之康郎一琳)依託中國科學院深圳先進技術研究院等建設的新型研究型大學－深圳理工大學(籌)4月24日發布消息說，其生命健康學院助理教授週航研究團隊與合作者透過大量實驗研究，首次明確揭示大腦海馬區神經元樹突分枝上突觸群體結構與功能的組織原則，提出用來精確描述突觸群體沿樹突分枝的時空分佈模式的新概念—「突觸構象」。
該研究證明突觸構像是樹突分枝的計算功能特異性的決定因素和新型生物標誌物，發現一種調控突觸構象的關鍵內源性因子及其背後的分子通路，並透過調控該通路預防老化導致的動物學習與記憶能力衰退。
神經元樹突分枝與突觸分佈。研究團隊/供圖
這項生命健康領域重要基礎研究成果論文，近日在施普林格·自然旗下學術期刊《自然-通訊》( Nature Communications )發表，對於理解學習與記憶的生物學本質、研發抵抗大腦衰老及神經退行性疾病的新型藥物與治療方法具有重要的基礎科學與轉化意義。
研究團隊介紹說，他們首先在單突觸層級對大腦海馬區椎體神經元樹突分枝上的突觸進行系統性研究，綜合運用單突觸囊泡功能成像、單突觸鈣成像、基於序列掃描電子顯微鏡的突觸三維重建、動物行為等方法，揭示神經元樹突分枝上突觸群體的組織原則，即單位面積樹突分枝上的突觸傳遞總強度在基礎狀態下總是相對恆定的。
在這原則之下，突觸群體沿著樹突分枝的時空分佈模式呈現出連續變化的構象，其中兩類典型的構象表現分別為「突觸數量少、傳遞強度高」和「突觸數量多、傳遞強度低」。
具有前一類突觸構象的樹突分枝的計算特性表現為突觸傳遞效率高、可塑性低、編碼容量低，從而利於訊息的儲存和維持，與記憶能力密切相關；而具有後一類突觸構象的樹突分枝則突觸傳遞效率低、可塑性高、編碼容量高，更利於訊息的編碼，與學習能力密切相關。
因此，研究團隊認為，突觸構象決定了神經元樹突分枝的功能特異性，而不同構象(作為一種新型生物標記)則表徵了樹突分枝不同的神經計算與資訊處理能力。
研究團隊隨後進一步對「樹突分枝上的突觸構像是如何被調控的」進行研究，在機制上首次發現細胞內鎂離子是決定突觸構象的關鍵內源性分子，並詳細闡明了其背後的分子路徑：上調細胞內鎂離子水平，能夠在樹突分枝上增加突觸數量、減小突觸傳遞強度、增加突觸可塑性和編碼容量；反之，下調鎂離子水平，則會減少突觸數量、增加突觸傳遞強度、減少突觸可塑性和編碼容量，從而實現單一內源性因子對樹突分枝計算特性的調控。
研究團隊指出，值得注意的是，這種調控是動態且可逆的，其突觸構象轉換的時間尺度在幾十分鐘到幾個小時範圍內，與短時記憶的時間尺度相似，提示突觸構象的動態轉換可能對短暫記憶形成和消除過程中訊息的更迭具有重要意義。此外，低鎂離子水平對應的突觸構象特徵與大腦老化及神經退化性腦疾病過程中的突觸變化特徵相似(即突觸數量降低、突觸傳遞強度增加、突觸結構大小增加)，提示調控神經元細胞內鎂離子濃度可能有助於對抗大腦老化及神經退化性疾病。
左.樹突分枝上兩類典型突觸構象的動態轉換與對應神經運算特性的變化；右.調控突觸構象的分子路徑。研究團隊/供圖
事實上，研究團隊也在整體動物層面驗證了這項發現，證實透過口服一種能夠促進大腦中鎂離子水平上升的化合物(左旋蘇糖酸鎂)可以改善老年大鼠(26個月齡)的學習與記憶能力，並且顯著阻止腦老化過程中突觸總數變少、結構大小增加的趨勢。
研究團隊透露，基於本研究成果，未來將在利用樹突分枝上突觸構象變化作為生物學標誌物，篩選抗腦衰老和神經退化性疾病的藥物，開展這些新篩選藥物的臨床前動物實驗，並推動臨床試驗和轉化工作。 (完)
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