研究人员首次实时观察到了轴突内的神经可塑性。这种适应性聚焦于轴突起始段（AIS），这是神经细胞中启动电信号的关键部分。研究揭示了该段中钠通道的快速变化，这对于平衡神经活动至关重要。这项突破性研究结合了独特的工具和专业知识，揭示了学习和记忆背后复杂的机制。

关键发现

• 轴突起始段（AIS）：作为神经细胞的控制中心，决定何时启动电信号。

• AIS可塑性：允许钠通道快速变化，确保神经活动平衡和最佳记忆形成。

• 实时成像技术：研究团队通过创新技术实现了这些变化的实时成像，为轴突适应性提供了前所未有的见解。

研究背景

来自荷兰神经科学研究所的研究人员首次观察到了轴突内的神经可塑性。神经细胞通过快速传递电信号（称为动作电位）进行通信。大脑中的所有动作电位都始于细胞的一个独特小区域——轴突起始段（AIS）。这是轴突的最初部分，轴突是神经细胞的长而细的延伸部分，负责将信号或脉冲从一个神经细胞传递到另一个神经细胞。AIS充当控制中心，决定何时启动动作电位，然后信号沿着轴突进一步传播。

AIS可塑性的发现

此前，研究人员观察到AIS也存在可塑性。可塑性是指大脑创建新连接和结构以调节电活动量的能力，这对学习和记忆至关重要。AIS可塑性发生在脑网络活动变化期间。该段的长度可以在活动过多时变短，或在活动不足时变长。但这种结构如何变化，以及变化速度有多快，一直是神经科学家的基本问题。

Amélie Fréal和Nora Jamann在Maarten Kole的实验室中首次实时观察到了轴突内的这种适应性，并确定了其背后的分子机制。

关键机制：钠通道

这一过程中的关键角色是位于AIS的离子通道，也称为钠通道。研究团队开发了新工具来研究这些钠通道及其支持蛋白。他们发现，细胞段中的钠通道数量可以在一小时内迅速变化。这种快速变化是通过内吞作用介导的，钠通道被细胞内的囊泡吸收。

Nora Jamann解释说：“你可以将这种适应性视为一种放大器，可以微调输入。AIS越长，所需的电流越少。你可以增强细胞的输出。如果调整不当，学习可能会受到影响。”

实时成像技术的突破

Amélie Fréal表示：“为了解决这个问题，我们面临一个重大挑战：如何实时捕捉可塑性？如果你想知道AIS如何适应，你希望真正看到它在变化。这在以前是不可能的。在这项研究中，我们使用了两种新工具：首先，一种特殊的鼠标模型，AIS被荧光蛋白标记，使我们能够观察机制并记录脑切片中的时间变化。其次，我们使用分子工具使钠通道在细胞培养中可见。这使我们首次能够实时追踪钠通道。”

研究意义

Jamann补充道：“我们在AIS中观察到的可塑性与我们已知的突触可塑性非常相似。这是最著名的可塑性形式，涉及两个神经细胞之间连接（突触）强度的变化。突触可塑性直接与学习和记忆相关。但同样的机制也发生在AIS中。”

Fréal总结道：“这项研究汇集了不同领域的专业知识，我非常支持这种研究方式。Maarten Kole的实验室拥有记录和观察活动的所有设备，而我带来了成像纳米结构的新工具。我们一起证明了当活动变化时，结构也会发生变化。这一观察将帮助我们从更广泛的角度看待可塑性。在研究可塑性时，我们现在需要考虑AIS中的这些变化。”

参考文献

Original Research: Closed access.
“Sodium channel endocytosis drives axon initial segment plasticity” by Maarten Kole et al. Science Advances

摘要
轴突起始段（AIS）的活动依赖性可塑性使神经元能够适应网络活动的变化。AIS处的动作电位启动高度依赖于电压门控钠通道的聚集，但其可塑性的分子机制仍然未知。本文开发了遗传工具来标记内源性钠通道及其支架蛋白，以揭示其纳米级组织并纵向成像海马神经元切片和原代培养中的AIS可塑性。我们发现，N-甲基-d-天冬氨酸受体激活会在几分钟内引起长期突触抑制和AIS钠通道的快速内化。AIS远端的钠通道内吞作用增加了动作电位生成的阈值。这些数据揭示了快速活动依赖性AIS重组的基本机制，并表明内在兴奋性的可塑性与突触可塑性具有共同特征。