光学信号刺激蝌蚪神经元活动

来源:环球科学 发布时间:2008年11月25日 浏览次数: 【字体: 收藏 打印文章
    蝌蚪如果暴露于光亮之处,它们分泌神经递质多巴胺的神经元数量将大大增加。这种可塑性保证动物大脑做出与环境刺激相一致的反应。

    神经系统自适应于环境。过去认为,可塑性包括对神经环路和神经元突触连接的修饰(比如学习和记忆),而不是改变某类神经元的数量。Dulcis和Spitzer1挑战了这个观点。他们发现,如果非洲爪蟾(Xenopus laevis)蝌蚪接触亮光,它们脑内的多巴胺能神经元数量就会增加,此举加快了(蝌蚪)适应光亮环境的速度。曾经下池塘捉过蝌蚪的人,可能会为瓮中之物几个小时就变白啧啧称奇。体色的快速变化帮助蝌蚪更好的融入环境,从而减少了被捕食的危险。有特定的神经环路控制此过程:眼睛将感光信号传递到视交叉上核(含有多巴胺神经元),继而转达另一脑区,此处的神经元分泌黑色素细胞刺激素,促进皮肤黑色素沉着。这个环路以互切方式工作:眼睛传来的感光信号对视交叉上核有正性作用,促进多巴胺释放。高浓度多巴胺对激素细胞有负性作用,使激素分泌降低从而减少外周皮肤色素形成。

    前验经验影响色素沉着:如果蝌蚪过长或过频接触亮光,它们对后续试验的适应速度明显加快。这种差异反应和它的基础环路经过广泛研究,被认为主要与突触连接和信号传导的可塑性有关。而Dulcis 和Spitzer1揭示了环路内多巴胺神经元数量的快速增加也参于光适应过程。

    作者观察到的反应速度是惊人的:在黑暗环境饲养长大的蝌蚪,接触亮光仅仅两小时,视交叉上核的多巴胺神经元数量已经增加了一倍。而且,当蝌蚪再次暴露于光亮之中时,新生多巴胺神经元可以更快地减少色素生成。通过追踪轴突走向,作者发现神经元投射到了激素分泌细胞。作者接着用特殊药物消除已有的多巴胺神经元,此举导致光适应现象完全消失。可是一旦蝌蚪重新接触光亮,新生多巴胺神经元可以帮助重建光适应。 

    这些“新生”多巴胺神经元从何而来?是由之前存在的表达另一类神经递质的神经元转变而来的,还是重新生成的?以往研究发现哺乳动物(即使是成年动物)大脑可以持续有神经元新生,而且此过程可因外界诱导而增强。比如,丰富环境(装有滚轮、垫料和玩具的大笼子)中生长的成年实验小鼠,某些脑区的神经元数量增加,特别是决定空间定位的脑区。同样,鸣禽在不同季节可以增删某些脑区神经元数量,以脑构造的嬗变适应季节性行为。以蝌蚪的光适应现象为例,Dulcis 和Spitzer1在其视交叉上核没有发现新生细胞,但多巴胺神经元却很快增多,据此推测:增多的神经元不是在短短两小时重新生成的,而是以前表达另一类神经递质的神经元现在同时表达多巴胺了。

    外周感觉信号通过调节大脑神经核团(控制机体对刺激的生理反应)的大小,而引起特定生理反应。 Dulcis 和Spitzer1的发现将此观点推进了一步:已有的神经元可以转而表达另一种神经递质。从更广泛意义出发,他们的发现拓展了原有的大脑可塑性研究领域:增强或减弱神经传递信号、建立新联络和最近发现的导入特殊神经元重建神经网络。Dulcis 和Spitzer1没有说明的一点是:这种特殊的大脑可塑性是发育中蝌蚪独有的,还是成年蛙以及哺乳动物共有的现象。 

    多巴胺信号传导通路异常,可能是导致人类季节性情感紊乱(也称冬季抑郁症)的关键因素。现在的正电子发射断层显像(PET)技术,常规用做多巴胺细胞显影,将来则可用以检测病人。尽管PET成像分辨率有限,但大量增加的多巴胺神经元(对应于季节变换引起的日照时间延长,或夜间光亮度增加),还是有可能被检测出来。如果将调节可塑性(改变神经递质产生方式)的方法应用于人类,可能就此开辟治疗神经系统疾病新的阳光大道。

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