人民網(wǎng)上海8月7日電 （記者姜泓冰） 《細(xì)胞》期刊今天在線發(fā)表了中科院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所于翔研究組題為《樹(shù)突棘的協(xié)同修剪與成熟由樹(shù)突棘間對(duì)Cadherin/catenin復(fù)合物（簡(jiǎn)稱3C復(fù)合物）的競(jìng)爭(zhēng)所介導(dǎo)》的研究論文。該研究揭示了大腦發(fā)育進(jìn)程中存在的“樹(shù)突棘之間競(jìng)爭(zhēng)”的分子機(jī)制，即相鄰樹(shù)突棘之間對(duì)3C復(fù)合物的競(jìng)爭(zhēng)，決定了它們?cè)跇?shù)突棘修剪過(guò)程中的不同命運(yùn)——?jiǎng)僬吒映墒炫c強(qiáng)壯、敗者則被修剪，從而揭示了發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)環(huán)路精確化的新機(jī)制和重要規(guī)律。
于翔研究員介紹說(shuō)，我們的大腦由大約一千億個(gè)神經(jīng)元組成，它們通過(guò)突觸相互聯(lián)接，形成龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而調(diào)控我們的感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、記憶與情感。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中大部分的興奮性突觸位于神經(jīng)元樹(shù)突上一種名為樹(shù)突棘的微結(jié)構(gòu)上。在發(fā)育早期，樹(shù)突棘的數(shù)目與突觸的數(shù)目快速增加，當(dāng)個(gè)體進(jìn)入青春期、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度達(dá)到一定程度后會(huì)進(jìn)行精確化，從而達(dá)到最佳的信息傳遞與儲(chǔ)存效果，表現(xiàn)為總體樹(shù)突棘數(shù)目的減少。這一“樹(shù)突棘修剪”的過(guò)程對(duì)于大腦正常功能的行使至關(guān)重要，在包括孤獨(dú)癥等發(fā)育性神經(jīng)系統(tǒng)疾病中均發(fā)現(xiàn)了樹(shù)突棘修剪的異常。不過(guò)，對(duì)于介導(dǎo)樹(shù)突棘修剪過(guò)程的分子機(jī)制，人們尚難確知。
于翔研究組以與小鼠觸須感覺(jué)對(duì)應(yīng)的大腦桶狀皮層為實(shí)驗(yàn)范式解析上述問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)桶狀皮層的樹(shù)突棘修剪受觸須感覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的雙向調(diào)控，并且該過(guò)程與樹(shù)突棘形態(tài)的成熟協(xié)同發(fā)生。他們據(jù)此推測(cè)樹(shù)突棘的修剪與成熟是由一種競(jìng)爭(zhēng)依賴的機(jī)制所介導(dǎo)：相鄰的樹(shù)突棘同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)胞內(nèi)的某種有限分子資源，獲勝的樹(shù)突棘得以存留并變得更加成熟，而敗方則接受被修剪的懲罰。
為了探尋這種分子資源的真實(shí)身份，他們?cè)隗w外培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元體系中進(jìn)行活細(xì)胞成像，并發(fā)現(xiàn)在單個(gè)樹(shù)突棘上局部富集一類(lèi)細(xì)胞粘附分子3C復(fù)合物，可以同時(shí)導(dǎo)致被刺激樹(shù)突棘的增大和相鄰樹(shù)突棘的縮小或消失。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過(guò)光遺傳學(xué)手段激活單個(gè)樹(shù)突棘，并與相鄰未激活的樹(shù)突棘進(jìn)行對(duì)比，可以模擬在體觀測(cè)到的樹(shù)突棘命運(yùn)分化：前者增大而后者則被修剪，并且這一過(guò)程依賴于3C復(fù)合物在兩個(gè)樹(shù)突棘中的重新分布。這種樹(shù)突棘的命運(yùn)分化取決于兩個(gè)樹(shù)突棘之間的物理距離和N-cadherin的動(dòng)態(tài)變化。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，局部增加部分樹(shù)突棘突觸前的3C復(fù)合物水平，可以使它們?cè)谏窠?jīng)環(huán)路精確化的過(guò)程中擁有優(yōu)勢(shì)，更容易存活與成熟；而與其相鄰的，擁有相對(duì)較低3C復(fù)合物的樹(shù)突棘則更多地被修剪掉。此外，神經(jīng)電活動(dòng)對(duì)于樹(shù)突棘修剪和成熟的調(diào)控也依賴于3C 復(fù)合物的作用。
《細(xì)胞》雜志的審稿者認(rèn)為，該研究令人印象非常深刻。對(duì)（哺乳動(dòng)物）前腦的樹(shù)突棘修剪進(jìn)行了現(xiàn)象描述，并對(duì)其神經(jīng)電活動(dòng)依賴性與作用機(jī)制進(jìn)行了探究。基于突觸修剪在腦發(fā)育和精神障礙中的重要作用，可以預(yù)見(jiàn)該研究的影響將十分深遠(yuǎn)。
該課題由博士研究生邊文杰在于翔研究員的指導(dǎo)下完成。課題受科技部973項(xiàng)目、國(guó)家杰出青年基金、基金委創(chuàng)新研究群體基金的資助。