德国波恩和日本的研究人员阐明了相邻突触如何协调对可塑性信号的反应：大脑中的神经细胞通过它们的“天线”即所谓的树突分支接收数千个突触信号。突触强度的永久变化与树突棘大小的变化相关。然而，此前并不清楚神经元如何在彼此靠近且同时活跃的几个突触中实现这些强度变化。

来自波恩大学医院 (UKB)、波恩大学、冲绳科学技术研究生院 (OIST) 和日本理化学研究所脑科学中心 (CBS) 的研究人员认为，棘突之间对分子资源的竞争以及同时刺激的棘突之间的空间距离会影响其产生的动态。该研究结果现已发表在《自然通讯》杂志上。

神经元是大脑的计算单元。它们通过树突接收数千个突触信号，单个突触会经历活动依赖性可塑性。这种突触可塑性是我们记忆和思考的基础机制，反映了突触强度的长期变化。

在学习新记忆时，特别活跃的突触会通过称为“长期增强”（LTP）的过程加强其连接。然而，神经元如何分配资源以在相邻突触之间通过空间和时间传递突触强度变化尚不清楚。到目前为止，人们认为每个突触都独立于其他突触决定如何改变

这项研究为相邻突触如何协调对可塑性信号的反应提供了一个新的视角。来自波恩和日本的研究人员发现，蛋白质和钙的共享使突触可塑性成为一种集体行为，其中一个突触的行为会影响其他突触的反应方式。

“当多个突触想要同时增强并且彼此靠近时，它们会相互竞争，因此每个突触的增强效果都比单独时要小。另一方面，几个突触同时增强可以通过激活资源的溢出促进其他突触的可塑性，”英国波恩大学实验癫痫和认知研究所的 Tatjana Tchumatchenko 教授说道，她也是波恩大学跨学科研究领域 (TRA)“建模”的成员。她与日本 OIST 的 Yukiko Goda 教授共同领导了这项研究。

邻近脊柱之间的激烈竞争

来自波恩和日本的研究人员利用大脑中一种重要的兴奋性神经递质谷氨酸的释放，结合计算机辅助模型，研究了几种棘突可塑性的分子过程。棘突是蘑菇状的神经细胞突起，存在于大脑中，可以加强突触连接。

“谷氨酸的释放使得我们可以对选定的突触进行精确操纵，这使我们能够准确地观察到有多少突触被增强以及增强到何种程度，”在日本理化学研究所脑科学中心进行这项研究的托马斯·查特博士解释道。

“这些数据使我们能够设计一个模型，并将其参数调整为一组三个受刺激的棘突，即脊柱，然后预测七个或十五个棘突会如何表现，”马克西米利安·埃格尔博士解释说，他直到最近还是波恩大学的博士后，并在 UKB 进行研究。Chater 和 Eggl 都是这项研究的共同第一作者，并密切合作。

研究负责人 Tchumatchenko 教授和 Goda 教授对相邻棘突之间的竞争程度尤其感到惊讶，这种竞争在可塑性被触发后的最初两到三分钟内最强，并影响了可塑性的方向和程度。

“我们的研究结果表明，同时受到刺激的突触的空间排列显著影响树突棘生长或收缩的动态，这表明存储在同一树突上的多个记忆可能会相互影响，”Goda 教授解释道。

首席研究员相信，了解神经元如何管理突触资源将有助于更好地理解健康大脑中的认知过程，从而有助于开发对抗阿尔茨海默病、自闭症谱系障碍和其他认知障碍的新策略。