加州拉霍亞——斯克里普斯研究中心的科學家們開發了一種新的工具來監測大腦的可塑性——當我們學習和體驗事物時，從看電影到學習一首新歌或一門語言，我們的大腦是如何重塑和身體自適應的。他們的方法是測量由不同類型的腦細胞產生的蛋白質，這種方法有可能回答關於大腦如何工作的基本問題，並闡明許多導致大腦可塑性出錯的腦部疾病。
幾個實驗室之前的實驗已經揭示了大腦活動如何刺激神經元基因表達的變化，這是可塑性的早期步驟。該團隊的實驗發表在9月7日的《神經科學雜誌》(Journal of Neuroscience)上，其重點是研究可塑性的下一個關鍵步驟，即將遺傳密碼轉化為蛋白質。
斯克里普斯研究所的哈恩教授、神經科學主席、這項新研究的資深作者霍利斯·克萊恩博士說:“我們仍然不了解大腦細胞如何對經歷作出反應而發生變化的所有潛在機制，但這種方法為我們了解這一過程提供了一個新的窗口。”
當你學習新東西時，會發生兩件事:首先，神經元立即沿着大腦中的新路線傳遞電信號。然後，隨着時間的推移，這會導致大腦中細胞的物理結構及其連接的變化。但科學家們一直想知道這兩個步驟之間發生了什麼。神經元中的這種電活動最終是如何引導大腦以更持久的方式改變的呢?甚至更進一步，這種可塑性是如何以及為什麼會隨着年齡和某些疾病而減弱的?
此前，研究人員研究了神經元中的基因是如何隨着大腦活動而開啟和關閉的，希望能深入了解可塑性。隨着高通量基因測序技術的出現，以這種方式跟蹤基因變得相對容易。但這些基因中的大多數編碼蛋白質——細胞的真正主力，其水平更難監測。但是克萊恩與斯克里普斯教授約翰·耶茨三世博士和副教授安東·馬克西莫夫博士密切合作，想要直接觀察大腦中的蛋白質是如何變化的。
克萊恩說:“我們想要深入研究，看看哪些蛋白質對大腦的可塑性很重要。”
該團隊設計了一個系統，在這個系統中，他們可以一次將一種特殊標記的氨基酸(蛋白質的組成部分之一)引入一種類型的神經元。當細胞產生新的蛋白質時，它們會將這種氨基酸，疊氮氨亮氨酸，合併到它們的結構中。隨着時間的推移，通過追蹤哪些蛋白質含有疊氮諾leucine，研究人員可以監測新合成的蛋白質，並將它們與已有的蛋白質區分開來。
克萊因的研究小組使用疊氮多諾亮氨酸來追蹤老鼠經歷了大規模和廣泛的大腦活動峰值后，哪些蛋白質產生了，模擬了我們體驗周圍世界時在小範圍內發生的事情。研究小組重點研究了皮層谷氨酸能神經元，這是一種主要負責處理感覺信息的腦細胞。
在神經活動增加后，研究人員發現神經元中300種不同蛋白質的水平發生了變化。三分之二在大腦活動高峰時增加，剩下三分之一的合成減少。通過分析這些所謂的“候選可塑性蛋白”的作用，Cline和她的同事們能夠對它們如何影響可塑性有了大致的了解。例如，許多蛋白質與神經元的結構和形狀有關，也與神經元如何與其他細胞交流有關。這些蛋白質表明，大腦活動可以立即開始影響細胞之間的連接。
此外，許多蛋白質與DNA在細胞內的包裝方式有關;改變這種包裝可以改變細胞在很長一段時間內可以訪問和使用的基因。這表明，大腦活動非常短的峰值可以導致更持久的大腦重塑。
克萊恩說:“這是一種清晰的機制，通過這種機制，大腦活動的變化可以導致基因表達的波動持續許多天。”
研究人員希望利用這種方法來發現和研究額外的候選可塑性蛋白，例如在動物看到新的視覺刺激后，可能在不同類型的腦細胞中發生變化的蛋白質。克萊恩說，他們的工具還可以通過比較大腦活動對年輕人和老年人、健康和患病大腦蛋白質生成的影響，來深入了解大腦疾病和衰老。