九州大學的科學家發現了大腦發育中一個關鍵但經常被忽視的階段（稱為突觸修剪）的潛在機制。研究小組使用小鼠二尖瓣細胞（嗅覺系統中的一種神經元）進行研究。他們發現，當神經元接受神經遞質信號時，受體樹突會通過一系列化學途徑受到保護。同時，去極化會觸發同一細胞的其他樹突遵循一條促進修剪的單獨途徑。該研究結果最近發表在《發育細胞》雜誌上。

九州大學的研究人員發現了調節突觸修剪的化學途徑，突觸修剪是大腦發育中的一個關鍵階段，在這個階段，過度的和不正確的神經元連接被消除了。研究小組發現，在神經遞質信號的存在下，接收樹突受到保護，而同一神經元的其他樹突則被設定為修剪的路徑，這種機制有助於完善神經網絡並促進大腦的正常成熟。

神經元如何連接和重塑自身是神經生物學的一個基本問題。正確網絡背後的關鍵概念是神經元形成並加強與其他神經元的連接，同時修剪過多和不正確的神經元。

“神經迴路重塑中的一個常見短語是’一起發射’和’不同步，失去鏈接’。前者描述了在彼此之間傳遞信號的神經元如何傾向於加強連接，而後者解釋了在沒有所述信號傳導的狀況。”領導這項研究的九州大學醫學部教授今井武(Takeshi Imai) 解釋道。“這是一個精煉的過程，對於大腦的正常成熟至關重要。”

出生兩天后小鼠的嗅球帶有熒光指示信號。嗅球中的信號中轉站腎小球會自發地發出信號。這種自發的信號傳導最終將導致二尖瓣細胞的適當網絡化和修剪。該視頻是使用雙光子顯微鏡進行離體成像的。圖片來源：九州大學/今井實驗室

幾十年來，包括今井教授在內的研究人員探索了神經元如何形成和加強其連接的基本過程。然而，這一過程中存在一個很少有人研究的重大缺陷：這些聯繫是如何消除的。

“神經元連接的消除，我們稱之為修剪，是該領域每個人都知道和觀察到的事情。 但如果查閱文獻，就會發現缺乏對驅動這一過程的確切機制的研究。”第一作者Satoshi Fujimoto 解釋道。

連接的消除發生在神經系統的各處，例如神經肌肉接頭，即向肌肉發送運動信號的神經元。首先，肌纖維接收來自許多運動神經元的輸入。隨著動物的成長，這些連接會得到微調，其中一些連接會得到加強，而另一些則會被消除，直到只有一個神經元連接到一根肌肉纖維。這就是為什麼你在很小的時候就缺乏運動控制和協調能力。

在早期發育中，稱為二尖瓣細胞的神經元會生長多個分支以與多個腎小球連接。就像盆景一樣，隨著發育的進展，樹枝會得到加強和修剪。但是，儘管研究人員仔細研究了分支強化的機制，但修剪是如何誘導的仍然沒有得到充分研究。九州大學的研究人員發現，當二尖瓣細胞接收神經遞質谷氨酸時，隨後的信號會觸發RhoA 的局部抑制，從而保護樹突。與此同時，去極化會激活未接受谷氨酸輸入的樹突中由RhoA 控制的修剪機制。獲勝者樹突通吃。圖片來源：九州大學/今井實驗室

“我們決定研究神經元在重塑過程中究竟發生了什麼，因此，我們研究了使用小鼠二尖瓣細胞，這是一種位於嗅球中的細胞，嗅球是涉及嗅覺的大腦中樞。 在成人中，二尖瓣細胞與稱為腎小球的信號傳導中轉站有單一連接。 但在早期發育過程中，二尖瓣細胞會發出分支進入許多腎小球，”今井說道。“隨著時間的推移，這些分支會被修剪以留下單一的強連接。 最終，二尖瓣細胞只能嗅出特定類型的氣味。”

首先，研究小組發現嗅球中神經遞質谷氨酸的自發波有利於樹突修剪。然後，研究小組將重點放在二尖瓣細胞的內部信號傳導通路上。他們發現了一種獨特的保護/懲罰機制，可以加強某些聯繫並開始修剪其他聯繫。

“我們發現，在二尖瓣細胞中，來自谷氨酸的信號對於修剪至關重要。 當谷氨酸與其樹突中的受體NMDAR 結合時，它會抑制稱為RhoA 的修剪機械分子，這個’救救我’信號對於保護它免受修剪很重要。”

從小鼠出生的那一刻起，它們的二尖瓣細胞就會將多個樹突延伸到多個腎小球中。它們在出生後第三天左右在腎小球中形成分支和興奮性突觸。到第六天，它們通過選擇性修剪形成單個樹突。這使得僅從一種類型的嗅覺受體（氣味傳感器）接收信息成為可能，這是氣味辨別的基礎。圖片來源：九州大學/今井實驗室

當谷氨酸輸入時，二尖瓣細胞也會去極化並發出信號。研究小組還發現，去極化會觸發同一細胞其他樹突中RhoA 的激活，並啟動修剪過程。簡而言之，接收直接谷氨酸信號的樹突受到保護，而其他樹突則被修剪。

今井解釋說：“這種消除突觸的’懲罰’信號只作用於不受保護的突觸，它解釋了為什麼只有強連接才能成為贏家，而所有其他介導弱和嘈雜輸入的人都會成為輸家。”

該團隊的研究結果揭示了有關神經發育中被忽視但關鍵的階段的新信息。“適當修剪神經元連接與加強網絡同樣重要。 如果任一方向出現問題，都可能導致不同類型的神經生理障礙。 例如，與精神分裂症相關的聯繫太少，而在自閉症譜系障礙患者中卻發現了太多的聯繫。為了了解這些病症，我們需要仔細觀察發展的每一步。”