【前沿】Nature：一波三折終證實syt7基因控制人類思考、學習和記憶

06-16

人工智慧學家

來源：生物谷

編輯：格格

圖片來自Regehr實驗室

我們的大腦是連通性的奇蹟，充滿著彼此間持續溝通的細胞。這種溝通通過突觸實現。突觸是被稱作神經遞質的化學物從一種神經元轉移到另一種神經元的轉接點，這種轉移允許我們思考、學習和記憶。

科學家們已知這些突觸經常需要獲得一種強化來發送信息穿過神經元分界線。但是這種突觸強化（synaptic boost）來自何處一直是個謎。

如今，在一項新的研究中，來自美國哈佛大學醫學院的研究人員發現一種基因通過在一種被稱作突觸易化（synaptic facilitation）的現象中，增加神經遞質釋放，從而提供這種突觸強化。他們是通過照射一種或兩種光線來實現這點的。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為「The calcium sensor synaptotagmin 7 is required for synaptic facilitation」。

這種基因是突觸結合蛋白7（synaptotagmin 7, syt7），它是一種鈣離子檢測器，能夠動態地增加神經遞質釋放；每次釋放延長神經元之間的溝通時間大約1秒。這些快速的釋放被認為在大腦能夠進行參與短期記憶、空間導航和感官知覺的計算中發揮著至關重要的作用。

取得這項發現的一個研究小組是由美國哈佛大學醫學院神經生物學教授Wade Regehr實驗室的博士後研究員SkylerJackman領導的。

Jackman說，「我們確實認為大腦能夠做的最重要事情之一就是改變神經元之間的連接強度。如今，我們有一種選擇性地關閉突觸易化的工具，因此我們能夠測試一些長期持有的關於它在思考和工作記憶中重要性的觀點。」儘管突觸易化是由70年前的中國生理學之父馮德培首次描述的，但是Jackman和同事們能夠利用先進的之前數代科學家不能獲得的實驗室技術，鑒定出這種突觸強化背後的工作機制。

12年前，Regehr猜測syt7可能促進這種突觸強化過程：這種基因緩慢地啟動，隨後增加啟動速度，這與神經遞質的逐漸釋放相符合。大約8年前，另一個實驗室的科學家構建出缺乏syt7基因的基因敲除小鼠，從而為開展實驗測試Regeh的猜測作好準備。但是，當在實驗室培養皿中培養時，來自這些基因敲除小鼠的神經元與其他神經元並沒有表現得不同；當時的研究結果澆滅了syt7能夠解釋這種突觸強化的希望。

1年前，Jackman採取另一種思路。他測試了從這些基因敲除小鼠體內獲取而且仍然擁有完整大腦迴路的腦組織中的突觸連接，這一實驗更好地反映神經元和突觸在活動物體內如何工作。Jackman說，「它是令人注目的，它是令人驚奇的。我們一檢測這些連接，我們就觀察到存在巨大的突觸減少：在這些基因敲除小鼠中，突觸易化完全缺乏，完全不同於它們的野生型兄弟姐妹。」

為了確信敲除syt7導致這種變化，Jackman不得不找到一種方法將syt7重新導入和恢復它的功能。他通過一種被稱作光遺傳學的基因操縱工具，利用光線開啟和關閉神經元連接，從而成功地做到了這一點。他利用雙順反子表達---將一個光遺傳蛋白和一個syt7蛋白包裝在均等地感染所有神經元的單個病毒中---改進了這種技術。利用這兩種技術，Jackman能夠選擇性地研究當將syt7重新導入神經元中會發生什麼，並且可靠地測量它的影響。

Jackman迫切地利用這些技術研究大腦不同部分中的神經元以便觀察這種基因是否影響杏仁核產生的恐懼感，或者海馬體產生的空間導航能力，等等。

Jackman說，「我們有關於大腦如何工作的理論，但是由於沒有改變大腦的方法，我們就不能真正地知道如何測試這些理論。這項研究給我們提供一種新的工具用於改變大腦功能並觀察這如何影響動物行為。」（生物谷 Bioon.com）

The calcium sensor synaptotagmin 7 is required for synaptic facilitation

doi:10.1038/nature16507

Skyler L.Jackman, Josef Turecek, Justine E. Belinsky & Wade G. Regehr

It has been known for more than 70 years that synaptic strength is dynamically regulated in a use-dependent manner1. At synapses with a low initial release probability, closely spaced presynaptic action potentials can result in facilitation, a short-term form of enhancement in which each subsequent action potential evokes greater neurotransmitter release2. Facilitation can enhance neurotransmitter release considerably and can profoundly influence information transfer across synapses3, but the underlying mechanism remains a mystery. One proposed mechanism is that a specialized calcium sensor for facilitation transiently increases the probability of release2, 4, and this sensor is distinct from the fast sensors that mediate rapid neurotransmitter release. Yet such a sensor has never been identified, and its very existence has been disputed5, 6. Here we show that synaptotagmin 7 (Syt7) is a calcium sensor that is required for facilitation at several central synapses. In Syt7-knockout mice, facilitation is eliminated even though the initial probability of release and the presynaptic residual calcium signals are unaltered.Expressionof wild-type Syt7 in presynaptic neurons restored facilitation, whereasexpressionof a mutated Syt7 with a calcium-insensitive C2A domain did not. By revealing the role of Syt7 in synaptic facilitation, these results resolve a longstanding debate about a widespread form of short-term plasticity, and will enable future studies that may lead to a deeper understanding of the functional importance of facilitation.

人工智慧學家 Aitists

人工智慧學家是權威的前沿科技媒體和研究機構，2016年2月成立人工智慧與互聯網進化實驗室（AIE Lab)，重點研究互聯網，人工智慧，腦科學，虛擬現實，機器人，移動互聯網等領域的未來發展趨勢和重大科學問題。