我們的大腦具有很高的靈活性或“可塑性”，這是因為神經(jīng)元能夠通過與其他的神經(jīng)元建立新的或更強的連接來做新的事情。但是，如果一些連接得到強化，那么神經(jīng)科學(xué)家們就會推理神經(jīng)元必須進行相應(yīng)地抵消，以免它們接收到過多的輸入信號。在一項新的科學(xué)研究中，來自美國麻省理工學(xué)院皮考爾學(xué)習(xí)與記憶研究所的研究人員首次證實了這種平衡是如何實現(xiàn)的：當(dāng)一個被稱為突觸的連接得到強化時，緊鄰的突觸基于一種至關(guān)重要的被稱作Arc的蛋白的作用而發(fā)生減弱。

在一個關(guān)鍵的實驗中，這些研究人員通過改變神經(jīng)元的“感受域（receptive field）”---神經(jīng)元作出反應(yīng)的視野區(qū)域---來誘導(dǎo)可塑性。神經(jīng)元通過位于它們的分枝樣樹突的小棘表面上的突觸接受輸入。為了改變一個神經(jīng)元的感受域，他們在屏幕上給小鼠顯示了與這個神經(jīng)元的初始感受域不同的靶區(qū)域，隨后密切地監(jiān)測它的突觸發(fā)生的變化，他們精確地找到了與這個神經(jīng)元相關(guān)的樹突棘。每當(dāng)這個靶區(qū)域處于他們想要誘導(dǎo)的新的感受域位置時，他們通過在小鼠視覺皮層內(nèi)閃現(xiàn)藍光來加強這個神經(jīng)元的反應(yīng)，就像另一個神經(jīng)元那樣觸發(fā)額外的活性。這個神經(jīng)元已經(jīng)基因改造，能夠被閃現(xiàn)的藍光激活，這種技術(shù)被稱為“光遺傳學(xué)（optogenetics）”。

這些研究人員一遍又一遍地做了這個實驗。由于光刺激與小鼠視覺的這個新位置中的靶區(qū)域的每次出現(xiàn)相關(guān)聯(lián)，這導(dǎo)致這個神經(jīng)元增強了樹突棘上的特定突觸，從而編碼新的感受域。

El-Boustani說，“我們能夠重編程完整大腦中的單個神經(jīng)元并在活體組織中見證允許這些細胞通過突觸可塑性整合新功能的分子機制的多樣性，我認為這是相當(dāng)了不起的?！?/p>

隨著編碼新的感受域的突觸在增加，這些研究人員能夠在雙光子顯微鏡下觀察到附近的突觸在縮小。在缺乏光刺激的實驗性對照神經(jīng)元中，他們并沒有觀察到這些變化。

隨后這些研究人員進一步證實了他們的發(fā)現(xiàn)。鑒于突觸是非常小的，它們接近于光學(xué)顯微鏡的分辨率極限。因此，在這些實驗之后，他們仔細分析了含有受到操縱的神經(jīng)元和對照神經(jīng)元的樹突的腦組織，并將它們運送到瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的合作者那里。他們進行了專門的更高分辨率的三維電子顯微鏡成像，證實了在雙光子顯微鏡下觀察到的結(jié)構(gòu)差異是有效的。Sur 說，“這是在體內(nèi)成像后重建的比較長樹突長度?！?/p>

當(dāng)然，利用藍光閃現(xiàn)重編程小鼠中的經(jīng)過基因改造的神經(jīng)元是一種不自然的操縱，因此這些研究人員開展了另一個更經(jīng)典的“單眼剝奪（monocular deprivation）”實驗，在這個實驗中，他們暫時地閉合了小鼠的一只眼睛。當(dāng)發(fā)生這種情況時，與這只閉合的眼睛相關(guān)的神經(jīng)元中的突觸發(fā)生減弱，而與另一只仍然打開的眼睛相關(guān)的突觸發(fā)生強化。隨后，當(dāng)他們重新打開這只之前閉合的眼睛時，這些突觸再次重新排列。他們也跟蹤了這一行動，并且觀察到隨著突觸發(fā)生強化，它們鄰近的突觸發(fā)生減弱以作為補償。

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