突触可塑性：解释短期记忆形成的新机理

David Clark

美国哥伦比亚大学神经生物学和行为学博士生

近年来，神经科学领域对短期记忆形成机制的研究有了突破性进展。哥伦比亚大学的研究团队提出了一个新理论框架，认为突触在短期记忆形成中比神经元更为重要，这一观点颠覆了传统认知。新模型揭示，突触的即时活动和可塑性在塑造神经网络整体行为中起着关键作用，甚至能在特定条件下“冻结”神经元状态，帮助大脑存储信息。这一研究不仅丰富了我们对大脑短期记忆机制的理解，还为未来的神经科学研究提供了新的方向。突触在短期记忆形成中的关键作用将如何改变我们对大脑信息处理的理解？这对未来神经科学研究有何启示？

在人脑的短期记忆形成中起主要作用的是突触，而不是学者们曾认为的神经元。

为了简化分析，早期学者将神经元之间的连接视为固定不变，忽略了突触的可塑性。

美国哥伦比亚大学的学者将突触动力学和神经元动力学纳入神经元网络模型中，更新了既有理论。

突触的即时活动，会改变神经网络的整体行为，加速或减慢神经元的活动。

学者还发现了一种新的现象：突触在网络中产生规律性的神经元活动模式时，可塑性就会被“暂停”，将神经元状态“冻结”，有助于在大脑中存储信息。

理论模型仍有改进的空间：未来学者希望在其中结合大脑的生物学特性，使模型更精确。

长久以来，神经科学一直在研究神经元和突触分别在短期记忆（又称“工作记忆”）形成中的作用。曾经，学者认为神经元活动在短期记忆形成中占主导地位，突触仅负责更缓慢的记忆形成和学习。但美国哥伦比亚大学的团队提出了全新理论框架，指出突触的作用比神经元更重要。研究人员说，新模型可能会彻底刷新我们对大脑短期记忆机制的理解。

人脑由1000亿个神经元组成。每个神经元通过数千个突触小体接收来自其他神经元的电信号。当突触收到的信号总和超过某个阈值时，神经元便会兴奋，向其他神经元发送一系列电压尖峰。因此，神经元是“可激发的”：在某个输入阈值以下，系统的输出非常小且呈线性，但在阈值以上，则会突然变得很大且非线性。

神经元之间相互作用的强度也会随时间而变化。这一现象称为突触可塑性，在短期记忆形成中起着至关重要的作用。

01

突触的可塑性

为了简化分析，早期学者将神经元网络视为非可塑的，突触之间的连接固定不变，以此为基础研究突触连接与神经元集体活动之间的关系。虽然简化模型不够精确，但足以了解神经网络的基本原理及功能。

哥伦比亚大学神经生物学和行为学教授Larry Abbott和其指导的博士生David Clark利用突触可塑性理念，优化既有模型，使其更加复杂，但也更符合现实，因为神经元活动的确会动态塑造突触之间的连接。

图片来源：PI France

研究人员使用数学中的动态平均场理论，将原始模型的高维网络方程简化为低维统计描述。简而言之，对理论进行了修改，使其包括突触动力学和神经元动力学，得到了一个新的简化模型，反映可塑性神经网络中的许多重要因素。Clark解释道：“研究过程的难点在于，既要充分体现神经元和突触的各种机制，又要让模型保持数学上的可解析性。”

02

被低估的突触活动

研究人员发现，当某些突触活动和某些神经元活动的时间尺度相近时，前者塑造神经网络整体行为的力量更强。分析还表明，神经元活动的频度会受突触活动频度影响，根据后者而变快或变慢，从而使神经元的混乱活动得到加强或抑制。

最重要的是，他们还发现了一种新的现象：突触在网络中产生规律性的神经元活动模式时，可塑性就会被“暂停”，将神经元状态“冻结”。这种“冻结的混乱”有助于在大脑中存储信息，十分契合我们对短期记忆的工作方式的理解。

“这次课题的主要任务，就是将灵光一现的假设转化为可解的数学方程。”

Clark 说：“我们的课题起源于Abbot在办公室聊天时提出的想法。他当时说，也许神经元处理信息的过程中，突触的即时活动与变化与神经元本身同等重要。我觉得非常有趣，因为这种假设彻底颠覆了经典观点，过去认为即时活动主要发生在神经元当中，突触仅参与较慢的学习和记忆过程。这次课题的主要任务，就是将灵光一现的假设转化为可解的数学方程。新模型是对于短期记忆原理的新解释，耦合了神经元和突触动力学，具有数学可解性，且还可用于模拟短期记忆如何变成长期记忆。”

Clark和Abbott未来希望通过结合大脑的生物学特性，使模型更精确。神经元通过离散电压尖峰进行的通讯、神经元连接结构的特殊规律，都将用于完善模型。

作者

Isabelle Dumé

编辑

Meister Xia

D. G. Clark and L. F. Abbott, “Theory of coupled neuronal-synaptic dynamics,” Phys. Rev. X 14, 021001 (2024).