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(guò)與其他的神經(jīng)元建立新的或更強的連接來(lái)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(huì )推理神經(jīng)元必須進(jìn)行相應地抵消，以免它們接收到過(guò)多的輸入信號。在一項新的科學(xué)研究中，來(lái)自美國麻省理工學(xué)院皮考爾學(xué)習與記憶研究所的研究人員首次證實(shí)了這種平衡是如何實(shí)現的：當一個(gè)被稱(chēng)為突觸的連接得到強化時(shí)，緊鄰的突觸基于一種至關(guān)重要的被稱(chēng)作Arc的蛋白的作用而發(fā)生減弱。

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

這些研究人員一遍又一遍地做了這個(gè)實(shí)驗。由于光刺激與小鼠視覺(jué)的這個(gè)新位置中的靶區域的每次出現相關(guān)聯(lián)，這導致這個(gè)神經(jīng)元增強了樹(shù)突棘上的特定突觸，從而編碼新的感受域。

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

隨著(zhù)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(guān)察到附近的突觸在縮小。在缺乏光刺激的實(shí)驗性對照神經(jīng)元中，他們并沒(méi)有觀(guān)察到這些變化。

隨后這些研究人員進(jìn)一步證實(shí)了他們的發(fā)現。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(shí)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(shù)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(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的更高分辨率的三維電子顯微鏡成像，證實(shí)了在雙光子顯微鏡下觀(guān)察到的結構差異是有效的。Sur 說(shuō)，“這是在體內成像后重建的比較長(cháng)樹(shù)突長(cháng)度。”

當然，利用藍光閃現重編程小鼠中的經(jīng)過(guò)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(kāi)展了另一個(gè)更經(jīng)典的“單眼剝奪（monocular deprivation）”實(shí)驗，在這個(gè)實(shí)驗中，他們暫時(shí)地閉合了小鼠的一只眼睛。當發(fā)生這種情況時(shí)，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(kāi)的眼睛相關(guān)的突觸發(fā)生強化。隨后，當他們重新打開(kāi)這只之前閉合的眼睛時(shí)，這些突觸再次重新排列。他們也跟蹤了這一行動(dòng)，并且觀(guān)察到隨著(zhù)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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