新方法揭示了个体突触的结构和功能

用于描述大脑的常见类比是它由微小的互连计算机组成。来自数千个其他神经元的这些计算机或神经元，过程和中继活动中的每一个，形成允许我们察觉到周围环境，做出决策和指导行动的复杂网络。神经元之间的通信通过称为突触的微小连接，每个神经元都集成了这些突触跨越这些突触的活动以形成单个输出信号。但是，并非所有突触都是平等的。会聚到单个神经元的突触大小不同，并且尺寸与强度相关：较大的突触更强，并且对神经元的输出具有比较小突触更大的影响。但为什么一些突触比其他突触更强，这会如何影响单个神经元处理传入信号？

一个知名的理论建议了一个答案。HEBBIAN模型用于电路开发的姿势，两者之间的突触强度神经元由其活动中的相似性决定。高度共同主动的神经元之间的突触比那些频率不太活跃的神经元之间的突触。这种关系为成熟神经元中存在的突触尺寸的多样性提供了明确的预测。大突触将形成与具有非常相似的响应性质的其他神经元形成，并且这些突触在确定神经元的输出方面具有显着作用。相比之下，小突触将来自具有较差较差的响应性能并且对神经元的反应影响较小。虽然存在一些证据支持该模型，但直接测试需要测量单个突触，其尺寸及其神经元输出信号的活动，这是一项挑战现有技术的组合。

现在，首次，Max Planck Florida神经科学研究所（MPFI）的跨学科团队报告了一种新方法的结果，使他们能够实现这些测量。发表于期刊自然，他们的工作挑战预测了Hebbian模型，表明突触大小与响应相似度没有相关性，并且表明神经响应属性反映了活性突触的总数，弱且强。

Benjamin Scholl，Ph.D.是MPFI的Fitzpatrick实验室的博士后研究员，是在Visual Cortex中探讨了这个问题，在那里他可以利用各个神经元在他们的反应中表现出高度选择性的事实视觉场景中的不同特征，例如边缘的方向或移动物体的方向。这种现象称为特征选择性，通过集成数千个传达不同信号的突触，但是完全是如何发生的。“我们旨在测试强大的突触的假设，即与神经元特色选择性密切匹配的反应，而弱者则不会”，“Scholl，谁是该研究的第一作者。为了测试这一假设，科学家使用光学显微镜技术，实时地将突触群体的活性视为。但是单独的这种技术具有严重的限制 - 只能观察到突触活动，而不是它们的强度。

为了衡量突触强度，由来自MPFI的电子显微镜核心设施的另一个科学家组成的合作，由Naomi Kamasawa，Ph.D。“电子显微镜通过纳米尺度捕获突触的突触令人难以置信的详细图像，使我们能够精确测量它们的结构”，解释了康诺托马斯，工作和电子显微镜专科学家的第一作者。“这些结构测量告诉我们每个突触是多么强大。通过使用光学显微镜进行突触活动，然后测量与电子显微镜相同精确突触的强度，我们知道我们可以回答这个问题”。这些技术的组合，称为相关的光和电子显微镜（CLEM），允许研究人员测量来自几个神经元的突触群体的功能（特征选择性）和结构（强度）。

在他们的初步结果中，团队发现了什么意外：一些突触与神经元共享特征选择性，而其他突触不同;有些突触小（弱），而其他突触大（强）。但是，当这些数据放在一起时，作者惊讶地发现，强大而薄弱的突触都表现出各种功能性质：没有严格的主化关系。然而，通过检查整个突触人口的活动，研究人员认识到他们已经发现了特征选择性的可能突触基础。“我们观察了一个”基于数字的力量“现象。我们的数据表明，神经元的特征选择性来自激活的突触总数，包括强且弱，”Scholl。“事实上，我们发现了许多弱突触驾驶特征选择性，这表明它们可能具有主要的影响”。为了支持这一点，该团队观察到邻近较弱的突触更常见于活跃，甚至可以增强它们对神经元的影响。

这些结果挑战了普遍的理论，即在具有相似响应性质的神经元之间专门发现强突触并在确定神经元特征选择性方面发挥主导作用。相反，选择性似乎来自突触的总数，表明突触民主（类似于流行投票）是最重要的。这仍然留下了一些问题的问题突触比其他技术更强大，使用这些技术正在进行研究，探讨突触连接的其他方面可能是重要的。“结合神经元的结构和功能测量，对我们的大脑如何计算信息”说“托马斯”提供了更全面的理解。“克莱姆技术允许我们推动我们对大脑的基本工作所了解的界限。”这项工作强调了创造性的协同作用，这些协同作用导致从不同学科一起汇集的好奇心的科学家，从而实现了对神经电路组织的新见解，这无法预料，并为明天的脑功能理解障碍奠定基础。

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