《科学》：刷新认知！学习时，神经元行为比想象得更复杂

我们每天都会经历复杂的场景，大脑因此也会收到多样的任务、指令。比如家附近新开了一家美食店，于是查询了路线准备改天去尝尝；又或者工作中下发了新的技能需求，需要迅速掌握；甚至是听到了一首不错的歌，决定熟悉熟悉旋律下次去KTV大展歌喉。这些都是大脑学习全新事物的过程。

当新信息涌入大脑，为了更好地记录和保留重要信息，大脑需要迅速构建新的神经回路。这一过程会涉及到海量的突触交流，新信息会使某些突触连接变得更强，另外一些则减弱，这也代表了突触的可塑性。

目前，科学界对突触可塑性的机制仍然不够清楚。传统观点认为，突触可塑性遵循着“赫布规则”，即突触前和突触后神经元的同步活动会增强突触连接。“过去当人们谈论突触可塑性时，通常认为它在大脑中是统一的，”来自加州大学圣地亚哥分校的神经科学家William Wright博士表示。最近，他与同事在《科学》杂志发表的论文刷新了传统认知，他们发现不同区域的突触遵循不同的规则。突触只会获取各自区域的局部信息，但会共同协调帮助形成广泛的全新学习行为。

神经元的树突是接收信号的主要部位，它们像树枝一样从细胞体延伸出来，接收来自其他神经元的信号。从结构上，树突可以被细分为不同的区域，包括顶树突和基树突，它们在学习过程中表现出不同的活动依赖性可塑性。

实验中，作者训练小鼠完成一项运动任务，当它们在听到声音提示后可以按压杠杆获取水奖励。通过长时间的训练，小鼠完成任务的成功率逐渐提高、反应时间缩短。这表明它们成功学会了这项行为。

同时，研究者用双光子显微镜技术监测小鼠初级运动皮层神经元的突触活动和神经元输出。他们发现神经元的顶树突和基树突在功能组织上存在显著差异。顶树突的突触更倾向于编码与运动相关的信息，并且表现出更高的局部协同活动（local coactivity）——即附近突触的同步激活。相比之下，基树突的突触虽然也参与运动编码，但协同活动较弱。

▲研究示意图（图片来源：参考资料[1]）

这种功能差异表明两种树突区室可能采用不同的可塑性规则：顶树突离神经元胞体较远，使得局部突触活动能够更有效地触发树突内的钙信号，从而独立于胞体活动诱导可塑性；基树突的突触可塑性更符合传统的赫布规则，其强度变化、突触活动和胞体动作电位的同步性密切相关。

尽管两者的可塑性机制存在差异，但它们都对大脑的信息处理提供了积极作用。基树突的可塑性主要依赖于突触活动与神经元输出的同步性，因此基树突能够将编码相似信息的神经元连接在一起，形成稳定的神经网络。而顶树突的可塑性则主要依赖于局部突触的协同活动，这种机制使得顶树突能够将不同来源的信号整合在一起，形成功能性的簇，从而提高大脑对复杂信息的处理能力。

研究者指出，这些发现不仅刷新了对学习行为中神经元突触信息处理的认知，也有望推动类脑神经网络的发展，帮助设计出更高效的人工智能系统。

参考资料：

[1] Wright, W. J., Hedrick, N. G., & Komiyama, T. (2025). Distinct synaptic plasticity rules operate across dendritic compartments in vivo during learning. Science, 388(6744), 322–328. https://doi.org/10.1126/science.ads4706