无序中的秩序:大脑中树突组织的一个关键特征

神经元是大脑中基本的信息处理结构，由三个主要部分组成:树突、轴突和体细胞。树突接收并整合突触输入，这些输入随后在体细胞中被处理，并通过轴突传递给其他神经元。一个长期存在的问题是，为了更好地理解树突如何处理和转换输入，从而最终影响我们如何感知周围的世界，突触输入是如何排列在单个神经元的复杂树突结构上的。马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所(MPFI)科学总监兼首席执行官大卫·菲茨帕特里克(David Fitzpatrick)博士的实验室最近的发现，进一步阐明了这一问题以及皮质神经元的普遍属性。

本杰明·肖尔博士和丹·威尔逊是菲茨帕特里克实验室的研究人员，他们一直在研究树突上突触输入的空间排列，以及这种排列如何影响视觉皮层的计算。Wilson等人(2015)先前的研究表明，视觉皮层神经元中突触输入的方向选择性和功能聚类与局部树突事件相关，增强了体细胞调谐。在他们最近发表的论文中神经元11月2日，肖尔和威尔逊研究了这种聚类是否存在于更细微的范围内，是否存在于皮层细胞接收的功能输入的多样性中。

为了研究精细尺度的突触聚类，研究人员提供了简单的视觉刺激来激活单个树突棘上的兴奋性输入，树突棘是树突乔木上的蘑菇状突起。这些视觉刺激使作者能够绘制空间感受野(视觉空间中刺激引起特定神经元或突触输入反应的区域)和极性(对亮度增加(ON)或减少(OFF)的偏好)。个体2/3层神经元上的大量棘被绘制并使用基因编码钙指示器的体内双光子成像进行可视化，提供了亚细胞和细胞活性的测量。

在单个树突分支和整个树突区域内，他们没有发现一个全球性组织的证据。然而，经过更仔细的观察，他们发现了局部稳健的功能性突触聚类。相隔小于10 μm的相邻棘在它们编码的感觉特征的多样性中具有相似的功能特性。此外，相邻的脊柱表现出自发的和感觉驱动的共同活动，可以独立于全局树突钙事件发生，主要由躯体启动的动作电位驱动。这些特征在5-10 μm的空间尺度上存在距离依赖关系，这种无处不在的空间长度常数可能表明树突内短期塑性机制的基本生物学限制。“输入的聚类似乎比我们之前想象的更加普遍，”肖尔说。“我们才刚刚开始认识到树突场的复杂性。”

他们还发现，通过机器学习，精细规模的功能性突触集群存在于更广泛的脊椎群体中，这些集群似乎对与体细胞输出相似或不同的特征具有选择性。聚类输入可以放大这些功能特征，但突触聚类在形成体细胞反应中的作用更为复杂。这些分布式功能簇可以提高计算机的计算能力神经元通过允许对大范围感官输入的反应具有更大的灵活性，在不牺牲动态范围的情况下增加树突灵敏度，并促进单个树突内的非线性相互作用。

理解亚细胞级分布式网络的集成和处理是理解细胞级及以上组织的关键。“至关重要的是，我们要了解给定神经元的输入是如何在其树突场中排列的，这样我们才能理解单个神经元整合来自数千个突触输入的信息，”菲茨帕特里克说。这样的安排对神经元的功能和它所嵌入的网络有什么影响?目前，当涉及到树突在神经元回路中所起的作用时，我们的科学知识有很大的差距。“这篇论文真正令人兴奋的地方在于，”菲茨帕特里克说，“它弥补了这一差距，将细胞原理置于网络如何运行的背景下。”

下一步，该实验室有兴趣探索脊柱和突触簇的发育和成熟。正在进行的工作包括在发育过程中对单个脊柱的结构和功能进行长期成像，以及视觉体验的变化，以确定新出现的脊柱是否采用了与其更邻近、更稳定的前辈相同的功能特性。这样的研究可以更深入地了解突触聚类在发育过程中的作用，以及个体一生中的可塑性机制。