新方法揭示了单个突触的结构和功能
用来描述大脑的一个常见类比是，它由微小的相互连接的计算机组成。这些计算机或神经元中的每一个都处理和传递来自数千个其他神经元的活动，形成复杂的网络，使我们能够感知周围环境，做出决定，并指导我们的行动。神经元之间的交流是通过称为突触的微小连接进行的，每个神经元将这些突触上的活动整合起来，形成一个单一的输出信号。然而，并不是所有的突触都是一样的。汇聚到单个神经元上的突触大小不同，大小与强度相关:较大的突触更强，对神经元输出的影响比较小的突触更大。但为什么有些突触比其他突触更强，这又如何影响单个神经元处理传入信号呢?
一个著名的理论给出了答案。电路发展的Hebbian模型假设两个之间的突触的强度神经元是由他们活动的相似性决定的。高度共同活动的神经元之间的突触比那些不经常共同活动的神经元之间的突触更强。这种关系为成熟神经元中突触大小的多样性提供了清晰的预测。大型突触会与其他具有非常相似响应特性的神经元形成，这些突触在决定神经元输出时起主导作用。相比之下，较小的突触会产生于反应性质不太相似的神经元，对神经元的反应影响较小。虽然有一些证据支持这个模型，但直接测试需要测量单个突触的活动、它们的大小和神经元的输出信号，这是现有技术难以实现的组合。
现在，马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所(MPFI)的一个跨学科科学家团队首次报告了一种新方法的结果，这种方法使他们能够实现这些测量。发表在杂志上自然他们的工作挑战了Hebbian模型的预测，证明突触大小与响应相似性无关，并表明神经响应特性反映了活跃突触的总数，包括弱突触和强突触。
MPFI菲茨帕特里克实验室的博士后研究员Benjamin Scholl博士受到启发，在视觉皮层中探索这个问题，在那里他可以利用这样一个事实，即单个神经元在对视觉场景中的不同特征(如边缘的方向或移动物体的方向)的反应中表现出高度的选择性。这种现象被称为特征选择性，是通过成千上万个传递不同信号的突触的整合而产生的，但这究竟是如何发生的尚不清楚。“我们的目标是测试这样一个假设，即强突触的反应与神经元的特征选择性密切匹配，而弱突触的反应则不匹配，”该研究的共同第一作者肖尔解释说。为了验证这一假设，科学家们利用光学显微镜技术实时观察单个神经元上突触群的活动。但这种技术本身有严重的局限性——只能观察到突触的活性，而不能观察到它们的强度。
为了测量突触强度，他们与MPFI电子显微镜核心设施的另一组科学家合作，由Naomi Kamasawa博士领导。该研究的第一作者之一、电子显微镜专家康农·托马斯解释说:“电子显微镜可以在纳米尺度上捕捉到突触的极其详细的图像，使我们能够精确测量它们的结构。”“这些结构测量告诉我们每个突触有多强。通过首先用光学显微镜检查突触的活动，然后用电子显微镜测量这些相同的突触的强度，我们知道我们可以回答这个问题。”这些技术被称为相关光和电子显微镜(CLEM)的组合，使研究人员能够测量几个神经元突触群的功能(特征选择性)和结构(强度)。
在他们最初的结果中，研究小组没有发现什么出乎意料的事情:一些突触与神经元具有相同的特征选择性，而另一些则不同;一些突触小(弱)，而另一些突触大(强)。但是，当把这些数据放在一起时，作者惊讶地发现，强突触和弱突触都表现出各种各样的功能特性:它们之间没有理论上的严格关系。然而，通过检查整个突触群的活动，研究人员认识到他们已经发现了特征选择性的可能的突触基础。“我们观察到一种‘人数优势’现象。我们的数据表明，神经元的特征选择性来自激活的突触总数，包括强突触和弱突触，”Scholl说。“事实上，我们发现更多的弱突触驱动特征选择性，这表明它们可能具有主要影响。”为了支持这一观点，研究小组观察到相邻的较弱突触更经常相互作用，这甚至可以增强它们对神经元的影响。
这些结果挑战了普遍的理论，即强突触只存在于具有相似响应特性的神经元之间，并在决定神经元的特征选择性方面发挥主导作用。相反，选择性似乎来自突触的总数，这表明突触民主(类似于普选)是最重要的。这仍然留下了一个悬而未决的问题，为什么有些人突触比其他的更强，研究正在使用这些技术来探索突触连接的其他方面可能是重要的。托马斯说:“结合神经元的结构和功能测量，可以更全面地了解我们的大脑是如何计算信息的。”“CLEM技术使我们能够突破我们对大脑基本工作原理的了解。”这项工作强调了将来自不同学科的好奇心驱动的科学家聚集在一起所产生的创造性协同作用，使人们能够对神经回路组织产生意想不到的新见解，并为未来在理解脑功能障碍方面的进展奠定了基础。
