科学家发现大脑回路的控制器
2010-01-07 18:15:25   来源：丁香园   作者：  评论：0 点击：

ScienceDaily (Dec. 30, 2009) — 约翰.霍普金斯大学的神经科学家通过联合运用现代分子生物学和一项古老的可以回溯到136年前的科研技术，成功地发现了哺乳动物的大脑如何巧妙地回访并再利用相同地分子路径，以达到控制脑内复杂回路的目的。这项从小鼠身上得到的发现发表于《自然》，2009.12.24。

semaphorin 本是胚胎发育期在发育中的神经系统内存在的一种蛋白质，可以引导轴突等微丝结构从神经元到达其目的地。一旦轴突抵达目的地，semaphorin作用看似完全改变。在产后发育期以及成年期，semaphorin表现出调控突触形成的作用。通过突触使得神经元在化学基础上得以联络。鉴于脑活动取决于这些突触联系的形成方式和形成地点，Ginty认为新确定的semaphorin在突触形成方面的作用对于科学家们进一步探索自闭症、精神分裂症以及癫痫等疾病有重大影响。“通过这项发现，我们就能够理解semaphorin如何调控突触在脑内包括知觉和意识区域的数目以及分布情况。”约翰.霍普金斯大学医学院神经科学教授兼霍华德•休斯医学研究所研究员David Ginty如此认为，“我们相信这是一个重大突破，有助于我们理解各种行为背后脑内的神经环路如何集成。”

约翰.霍普金斯大学神经科学教授兼霍华德•休斯医学研究所研究员Kolodkin在博士后期间首次发现并成功克隆出蚱蜢体内的semaphorin基因。在过去15年里，众多动物模型包括多种遗传工程小鼠模型被用于semaphorin家族的分子学研究。但对约翰.霍普金斯大学的科研小组来说，这项发现属于意外收获。他们原本在研究神经元如何产生轴突。轴突是神经元间的信息传导装置，而树突则基本上可以称作信息接受装置。约翰.霍普金斯大学研究小组成员Ginty和Alex Kolodkin博士早期的研究表明：semaphorins影响轴突的生成和投射轨迹。因此随后这些研究者推想，semaphorins等信号分子可能对树突也有影响。

Tracy Tran 博士后采用了经典的高尔基染色技术，对比研究了semaphorin 缺失以及semaphorin 的受体neuropilin缺失这两种遗传工程小鼠，观察小鼠脑内神经元的解剖结构。（高尔基染色包括铬酸银浸泡神经组织，使得光镜下可以观察神经细胞内部结构。神经解剖学家于1891年借助这项技术得以断定神经系统是由单个的被称为神经元的细胞联络而成。）
Tran发现和野生株对比，semaphorin和neuropilin缺陷株的神经元的树突上，棘突的产生显著增多并且产生部位也比较奇特。这些棘突位于树突尖端，而此处正是突触通常发生之处，神经元间的联络也由此产生。因此，Tran推论在这些突变小鼠体内，神经元可能有更多突触，神经电环路可能更多。科学家们采用电子显微镜下观察脑的薄切片来验证了这个假说。和野生株小鼠体内体积较小的球状棘突相比，semaphorin和neuropilin缺陷小鼠的脑内，棘突显著扩增。Tran在野生株体内观察到每个棘突仅一个联络位点，而在实验组，这些联络位点常常多点分散存在。接着，研究小组记录了突变株和野生株神经元的电活动。他们发现：突变株的棘突数目更多、体积更大，其电活动频率也比野生株高出2.5倍，提示这种异常的突触传递基于突触数目的增加。
Kolodkin谈到：在神经系统发育过程中，控制突触在恰当之处形成与否的因素是一个相当重要然而知之甚少的难题。在他的系列研究中，神经元可能和其他神经元产生高达1万个以上的突触。如果神经元间的突触联系没有按部就班地形成，那么错误联络就得以产生，神经回路功能将发生紊乱，许多神经疾病由此可能产生。Kolodkin还指出：癫痫发作是一种失控的快速神经环路点燃现象。很显然在这些动物体内存在某种缺陷，由此可以推论癫痫患者可能有类似改变。同理，精神分裂症以及自闭症等系列疾病也被认为有发育方面的某类缺陷。这类缺陷可能与突触的异常有关。如果突触形成的位置和数目错误，将导致相关功能故障。举个例子，这些semaphorin或受体缺陷小鼠与脆性X综合征表现出来的棘突缺陷很相似。