大脑最受赞誉的特性之一是其适应性。神经回路的变化是我们学习的关键，神经回路的连接会随着我们体验和与世界互动而不断调整。但为了保持知识和记忆的完整性，神经回路的某些部分必须能够抵抗这种持续的变化。

麻省理工学院麦戈文脑研究所研究员、神经科学家马克哈内特说：“大脑已经找到了如何在稳定性和灵活性之间取得平衡的方法，这样你就可以学习新知识，并拥有终生记忆。”

在《细胞报告》发表的一项研究中，哈内特和他的团队展示了单个神经元如何对这一重要二元性的两个部分做出贡献。通过研究大脑感觉皮层中锥体神经元进行交流的突触，他们了解到细胞如何保留对世界上一些最基本特征的理解，同时保持适应不断变化的世界所需的灵活性。

视觉联系

锥体神经元通过数千个连接点接收来自其他神经元的输入。在生命早期，这些突触具有极强的可塑性；它们的强度会随着幼年动物接收视觉信息并学会解读而发生变化。大多数突触在成年后仍具有适应性，但哈内特的团队发现，当动物不到一个月大时，一些细胞的突触会失去灵活性。拥有稳定和灵活的突触意味着这些神经元可以结合来自不同来源的输入，以灵活方式使用视觉信息。

博士后 Courtney Yaeger 仔细观察了这些异常稳定的突触，它们聚集在分支复杂的锥体细胞的狭窄区域。她对这些细胞接收主要视觉信息的连接很感兴趣，因此她追踪了它们与大脑丘脑视觉处理中心背外侧膝状体核 (dLGN) 中的神经元之间的连接。

神经元通过长长的延伸部分接收来自其他细胞的信号，这些延伸部分称为树突，它们从细胞主体分支成树状结构。树突上的棘突形成突触，将锥体神经元与其他细胞连接起来。Yaeger 的实验表明，来自 dLGN 的连接都通向锥体细胞的特定区域——她所描述的树突树干内的一条紧密带。

Yaeger 发现，该区域（正式名称为顶端斜树突区域）中的突触与同一细胞上的其他突触存在多种差异。“它们之间的距离其实并不远，但它们的性质却完全不同，”她说。

稳定的突触

在一组实验中，Yaeger 激活了锥体神经元上的突触，并测量了对细胞电位的影响。神经元电位的变化会产生细胞用来相互通信的脉冲。当附近的突触也被激活时，突触的电效应通常会被放大。但当信号传递到顶端斜树突域时，无论刺激多少个突触，每个信号都会产生相同的效果。

那里的突触彼此之间根本不发生相互作用，哈内特说，“它们只是做它们该做的事。不管它们的邻居在做什么，它们都只是做同样的事情。”

研究小组还能够可视化单个突触的分子内容。这揭示了在顶端斜树突中令人惊讶地缺乏一种名为 NMDA 受体的神经递质受体。这是值得注意的，因为 NMDA 受体在介导大脑变化方面发挥着作用。

“一般来说，当我们考虑任何类型的学习、记忆和可塑性时，都是 NMDA 受体在起作用，”哈内特说。“这是迄今为止所有大脑中学习和记忆最常见的基础。”

当 Yaeger 用电刺激顶端斜突触，产生可以强化大多数突触的活动模式时，研究小组发现了 NMDA 受体存在不足的后果。突触的强度没有改变。“就我们测试的情况而言，那里没有活动依赖性可塑性，”Yaeger 说。

研究人员表示，这是有道理的，因为丘脑的细胞连接传递了眼睛检测到的主要视觉信息。正是通过这些连接，大脑才学会识别形状和线条等基本视觉特征。

“这些突触基本上是对视觉信息的稳健、高保真读出，”哈内特解释道。“这就是它们所传达的信息，而且它与上下文无关。因此，无论有多少其他突触处于活跃状态，它们都会按照自己的意愿行事，你无法根据活动对它们进行上下调整。所以它们非常非常稳定。”

“你实际上不希望它们是塑料的，”Yaeger 补充道。“你能想象睡着后忘记垂直线是什么样子吗？那将是灾难性的。”

通过对不同年龄的小鼠进行同样的实验，研究人员发现，连接锥体神经元和丘脑的突触在幼鼠睁开眼睛几周后就会稳定下来。哈内特说，到那时，它们已经学会了所有需要学习的东西。另一方面，如果小鼠在生命的最初几周处于黑暗中，突触就永远不会稳定下来——这进一步证明了这种转变取决于视觉体验。

该团队的研究结果不仅有助于解释大脑如何平衡灵活性和稳定性，还可以帮助研究人员教人工智能如何做同样的事情。哈内特说，人工神经网络在这方面表现糟糕：当一个擅长做某事的人工神经网络被训练去做新的事情时，它几乎总是会经历“灾难性的遗忘”，无法再执行其最初的任务。哈内特的团队正在探索如何利用他们对真实大脑的了解来克服人工网络中的这个问题。