神经科学

学习,神经元的故事......和髓鞘

据认为,髓鞘,这种白色物质占据大脑的大部分,特别是发挥了电绝缘的作用。事实上,这种膜是神经元的不可或缺的盟友,用于学习和记忆。

道格拉斯领域 对于Science N°511
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神经科学

我们学到的耳朵之间的肉体和一半的肉体如何 ? Nos idé这个问题回到了expériences d’Ivan Pavlov显示狗学习à saliver au son d’une cloche. En 1949年,加拿大心理学家唐纳德Hebb的适应é la « règle de l’学习协会 »来自Pavlov解释了所获得的脑细胞的方式è知识。 HEBB关于é当两个神经元兴奋时é一起,发送同时ément des impulsions éelectrics,它们之间的连接– les synapses –加强。当发生这种情况时,’学习发生。在狗的情况下,这意味着大脑都知道DORénavant que le son d’une cloche est immé吸收后跟食物。第一个éorie souvent résumée par la formule : « Des neurones excités在它们之间绑定。 »

TH.éorie s’est révélée solid,神经科学家都有écrit en détail les mécanismes molé治理学习期间突触变化的纤木。但我们都记得不是ésulte pas d’une récompense ou d’惩罚。事实上,大多数expériences sont oubliées。有时激动神经元és一起不会结合在一起。我们记得的是什么épend de notre réaction émotionnelle à une expé右,of sa newé,这个地方和当下ù l’événement s’从我们的水平生成’在中的关注和动机’évé和这些人的治疗é睡眠期间的感觉。通过专注于Synapse,我们建立了一种简单的FA愿景ç我们学习并记录相关的记忆és.

事实上,加强’突触还不够à产生存储器,除了réflexes les plus élé在简单的电路中。整个大脑的巨大变化是nécessaires pour créer un souvenir cohé。你记得前一天晚上的对话了你的邀请é或者你使用compé获得作为v的做法élo, les activité在许多r中的数百万神经元égions diffé大脑的养老金必须绑定以产生COH记忆érent qui mêle é运动,图像,声音,气味,séquences d’évé和其他exp.ériences mémorisées.

D’autres mé细胞苍蝇必须être à l’œ工作。通过这种观察,神经科学家有蛹é解释l的新方法’信息已传输,线路ée et stocké在大脑中的e’学习。在过去的十年中ères anné他们明白了’iconique « matière grise »构成外表面érieure du cerveau n’不是唯一涉及的派对ée. Les zones situé在这种灰色表面下折叠ée jouent aussi un rôle essentiel dans l’学习。最后ères années, une série d’études mené在我的实验室和其他地方有élucidé这些过程,离开新的faç治疗精神病疾病和é难度发展és d’学习表现出来。

如果突触变化是不够的,那么当你学习某事时,你的大脑会发生什么 ? Aujourd’hui, les méthodes d’imagerie par résonance magné勾选(MRI)允许研究人员看到à travers le crâne d’une personne et d’检查大脑的结构。通过分析陈词滥调é研究人员已经开始了é à remarquer des diffé在与comp的人的大脑的结构中étences spécifiques très développées。例如,音乐家有ré听到皮质更多é只葡萄只有非音乐家。 D.é分享,研究人员假设é que ces différences subtiles pré有单簧管和钢琴家à他们的领域很棒。但是研究最终érieures ont montré que l’学习改变大脑的结构。

此外,学习修改C面料éré布鲁尔并不担心compé传感器故事R.épé作为实践’一件乐器。在 2006年,Neuroscientist Bogdan Draganski,今天’hui à l’université洛桑,瑞士和他的科尔ègues ont constaté que chez des étudiants en médecine qui avaient étudié考试,mati的体积è雷格雷增加了é。各种细胞变化可能导致这种增加,例如新神经元和非神经元细胞的诞生所以« gliales »。血管再加工,或增长和增长和’é伴随着轴和义曲– 延伸的延伸’étendent à partir du corps d’un neurone –,可以制作même.

他到了M.ê我认为这些变化比Pr快得多évu durant l’apprentissage. En 2012年,Yaniv Assaf,的’université特拉维夫和他的Collègues ont montré que 16 在VID游戏中的轨道塔éo informatisé足以诱导变化’新球员海马。 r的事实égion cérébrale concernée soit l’hippocampe n’est pas surprenant : cette réGion对此至关重要’空间学习李é à导航。在’autres éTudes,最后,Yaniv Assaf和Indé偶尔,海蒂约翰森 - 伯格,的’université d’Oxford, ont dé涵盖了大脑意外地区发生的变化,包括régions dé用神经元或突触,称为« substance blanche ».

milliards de faisceaux blancs

这è意识的Ge是皮质céréBral,外层3毫林ètres d’é人脑哎呀。大多数研究人员’attendaient donc à找到由此引起的修改’学习。但在这种浅表层下,数十亿梁’axones très serrés(神经纤维),善良类似的毛纤维é皮革皮下的es’棒球子弹,连接mati的神经元è电路中的灰色。这些纤维束是白色的,因为轴索被覆盖着’脂肪物质调用ée « myéline »,它作为绝缘体é电动和乘法 50 à 100神经冲动的传播速度。 L.é白色物质疾病和疾病是研究的重要领域,但直到’à ré它被集中了一致é peu d’attention à un éventuel rôle de la myé在治疗中的线条’information et l’apprentissage.

在过去的十年中ères années, cependant, des études ont commencé à mettre en é视频,通过成像Cérébrale, des diffé在白色物质’experts aux compétences varié特别是具有良好阅读和努力技能的人é打钩。高尔夫球手的白色物质确认éS和Jugglers进入了înés pré也闻到了斑点érences par rapport à新手的,我们有même corrélé白色物质和智力商量的体积。如果治疗方法’information et l’apprentissage dé从mati神经元之间的突触连接流动ère grise, pourquoi l’学习对c有影响âbrain ?

一个R.éponse a commencé à émerger d’études mené在我的实验室里à l’é细胞杂志,瞄准à了解突触的方式– mais aussi d’大脑的其他地区 – changent durant l’学习。我们看起来很重要à突触,因为大多数mé可用于治疗神经系统和心理障碍的刺激作用于突触传递。但是,迫切需要’更有效的代理商。专注于突触传输,我们冒险à côté更好地对抗démence, la dé压力,精神分裂é聂或后创伤后应力综合症。

D.ébut des années 1990年,我的实验室,AM Octuteséricains de la santé, et d’autres ont commencé à探索可能性é那个胶质细胞étectent l’信息在r中传播é神经元桶并为AM修改它é提高性能。 r.ésultats expérimentaux accumulés以显示所有类型的胶质细胞réagissent à l’activité神经元,能够修改传输’大脑中的信息。 L.’une des dé最令人惊讶的是我的担忧éline.

这种绝缘是形成的é细胞膜层包络é在轴突周围,如绝缘胶带é电气。在大脑和骨髓épinièRe,它是章鱼形胶质细胞,少突胶质细胞,确保了’绕组。在成员和行李箱里,他’用香肠形胶质细胞,施万的细胞。数字’oligodendrocytes从我的轴上抓住轴突和辊层é在段中全部排队,如手堆栈é棒球运动员的es抓住一个蝙蝠éterminer quelle é团队将首先击中。 L.’在我的两个部分之间的小空间é线暴露一节’axone nu de 1 micromètre de long où专注于产生脉冲的离子通道électriques.

这些空间,名称és « nœuds de Ranvier »,就像r一样épéteurs bioélectriques :他们中继脉冲électriques, de nœud en nœud, le long de l’轴突。脉冲的传播速率增加à测量我的层数éline s’缠绕一下’轴突,这些层是proté更好地抵抗电压损耗。而且,当我的细分时éline encadrant un nœRanger Ud使它更多étroit,一个冲动électrique s’y dé锁紧更快,因为加载少量需要更少的时间éNodal膜达到’à la tension né打开离子渠道并产生’impulsion.

损害我的疾病é线,如sclé粉红色的板材和Guillain-Barr综合征é, entraî有时是严重的残疾,因为神经冲动的传播échoue lorsque l’isolant est altéré. Mais jusqu’à récemment, l’idée神经冲动可以改变我的é常规线路没有做’unanimité. Et mê我如果我的结构éline était modifiéE,如何以及为什么它会有élioré表演和’apprentissage ?

L’在我们眼前的解释隐藏。她回来了àC上的旧格言â卓越神经元频道é在一起。在所有R.éseau complexe d’信息或运输,L’heure d’arrivé继电器点的e至关重要– 想想函件错过ées à cause d’un train en retard.

人脑的每个连接器中的传输速度是如何églée de façon qu’冲动刚刚在正确的时间发生 ?我们知道信号électriques se déplacent au rythme d’在一些轴突中慢慢走路,但旋转à la vitesse d’一个赛车’其他。两个轴突的信号,它朝着作为中继点n的神经元收敛’只有当课程时间才会聚在一起à从他们的来源是优化的é弥补差异é两个轴突的长度和每个连接器脉冲的速度。

我的éline s’étant révélée un moyen particuliè适用于ACC.élé脉冲的传播,我的é因此,链接轴突将促进最佳传输信息à travers le ré桶。如果少压肾细胞Détectent le trafic d’神经元电路的信息和Y R.éagissent, un rétrocontrôle de l’axone pourrait réguler对我的训练éline et la faç它可调整的传输速度’冲动。但是,寡核苷酸的方式如何é他们是否转动在轴突中循环的神经冲动 ?

oligodendrocytes.à l’affût

在过去的二十岁ères années, notre équipe et d’autres ont identifié许多神经递质和其他摩尔é与胶质单元通信的信令对话ésence d’une activité électrique dans l’轴突,刺激我的élinisation. Nos expériences ont montré que lorsqu’un neurone est excité,神经递质是libéré不仅在突触的水平,还沿着’axone. Nous avons dé覆盖寡核细胞的延伸调查了轴突的裸露部分à寻找神经递质的人éré由激动的轴突és. Lorsqu’延伸触摸Axon激动é,它形成联系人« par point de soudure »,这允许之间的通信’axone et l’oligodendrocyte。后者开始了à synthétiser de la myéline à cet endroit et l’enroule autour de l’axone.

而且,当我们给了é à植物中的少突胶质细胞在我的选择éliniser des axones é电动活跃或草稿és àEMP的肉毒杆菌毒素êcher la libé神经递质,oligodendrocytes的配给都选择了选择é轴突八倍é电动活跃相当ôt que pour ceux qui é是沉默的。因此可能的时候有可能’一个人学习à jouer letterà Él 在钢琴,裸体轴承笼罩着és de myé或者我的袖子的数量é现有线路在Activist电路中增加és de façon répétée在练习期间,accélérant le flux d’r的信息éseaux céré酒吧。由MRI,新的我的éline apparaîT,然后以大脑区域的白色物质的修饰形式écessaires à音乐练习。

Récemment, plusieurs équipes ont vérifié那个潜力’action – 沿着轴突传播的信号 – stimulent la myé暴露区域的线ées de ces câbles neuronaux. En 2014年,米歇尔蒙杰,à l’université de Stanford, aux É美国和他的Collègues ont montré在小鼠中作为Optog刺激éné蜱(使用激光至激发神经元的技术)增加了我的é大脑中的线。他们ême année,威廉理查森,的’伦敦大学学院,他的COLLègues ont démontré que lorsque l’on empêche形成新的é在小鼠中,这些放入更多时间à apprendre à在带有一些酒吧的轮子上运行été retirés。最后,通过共聚焦显微镜观察我的形成é鱼Z线èbres vivants, l’é大卫里昂队,à l’université d’ÉDimbourg,以及布鲁斯呼叫,à l’université du Colorado à Denver, ont indépendamment observé que lorsqu’他们抑制了libé小V轴索é含有神经递质,通常是第一个ères couches de myéline s’enlevaient et l’oligodendrocyte arrê是整个过程。

另外,在一个étude publiée去年1月与大感卡,从教师é supérieure de médecine de l’université神户,日本和’autres collè日本人,我们有射击é que la myéline favorise l’通过确保差异来学习érents potentiels d’沿着轴突行动的行动到达mê发动机皮质的天气,ré控制的大脑ôle le mouvement. 使用小鼠G.énétiquement modifié他们的能力é de myélinisation soit altérée et qui avaient été entraînées à拉动杠杆接收ré赔偿,我们有écouvert que l’学习这个t.âche augmentait la myé发动机皮质中的衬图。

另外,通过记录神经冲动à l’aide d’é我们已经观察到的页面é那个潜力’action é不太同步és在皮质电动机小鼠公关ésentant une myélinisation dé工厂。然后我们刺激é到达的同步ées des potentiels d’在前者的皮层发动机中的行动çant les neurones à s’Optog打开正确的时间énétique. Les souris présentant une myélinisation dé然后是工厂制作é sans difficulté la tâche apprise. À术语,令人侵袭形式的刺激少éré布莱尔可以建立一个é抗神经和心理障碍的有效剑杆菌à对我的破坏élinisation.

魔鬼é ces avancées,刺激是可能的éréBraof并不总是足够的à允许新学习。实际上,必须有一个限制à潜力的速度’沿着轴突的行动,因此à la capacité du cerveau à synchroniser l’arrivée de potentiels d’r的关键中继点处的行动é如果某些脉冲尤其是特殊的脉冲,神经元桶è快速地。到底é,我们设想了é la possibilité qu’还有一种方法可以减缓到达太快的冲动à这些继电器点。

自从我的鞘é轴身围绕轴线能够’accélérer de façon contrôlée信号的传输’é抓住他们,她放慢了他们ême en s’amincissant ?在我们的工作之前,我们不知道任何mé除了那些李之外,可能会验证这样的过程és对疾病扰乱我的é初学。但我们的最后一个è研究,发表ées en 2018, ont révélé qu’涉及另一种类型的胶质细胞é在这些变化中« plastiques » du système nerveux.

Près du nœRanvier UD是一个呼叫的手机电话ée « astrocyte »。星形胶质细胞有很多功能。特别是,他们是确保的人’供应神经元énergie, en pré在提供它之前,将葡萄糖留在血管中并将其转化为乳酸,神经元的燃料。但是,大多数神经科学家都没有’intéressent pas à这些细胞,因为他们没有与他人沟通 通过 des impulsions é电器。当然,在最后一次ère déCennie,研究表明é que les astrocytes à proximité两个神经元之间的突触étaient capables de ré在Y LIB的学习期间进入突触传输é或通过吸收神经递质。但直到’à ré它,生物学家écialistes de la myé线路有时尚à né这些细胞,特别是一种类型的细胞’星形胶质细胞与其n水平的轴突接触œuds de Ranvier.

这些上述星形胶质细胞如何« périnodaux »他们介入了吗?’变薄我的鞘éline ?正如将来改变V的那样 ê这些细胞有所帮助à couper les « coutures ». La gaine de myéline est attachée à l’Axon由侧翼侧翼nœ游侠的UD。显微镜é电子,这些连接点看起来像缝纫点之间的螺旋’axone et la myé线路,构成每个点的线és d’三摩尔的复合物écules d’adhé细胞Sion。我们对组成摩尔的分析é这些缝隙点的Cullar显示出来é que l’une de ces trois molé邪教,神经血皮剑 155, présente un site qu’une enzyme spéCIF,凝血酶,能够切割,然后减少我的éline.

TH.rombine est fabriqué通过神经元,但它是pénè还有大脑à partir du systè血管。当我的时候éline se décolle de l’axone, la quantité d’axone dénudé au nœRanger UD增加了。我的外层éline est attachée à l’axone juste à côté des astrocytes périnodal。当我的时候éline s’est détachée de l’轴突,其外层疏入脱寡细胞,稀释鞘。 L.’élargissement de l’espace nodal et l’变薄我的鞘é线降低脉冲的传输速率。

我们有écouvert que l’astrocyte périnodal, en libé凝血酶抑制剂能够控制ô连接我的线程的切割éline à l’轴突。我们有é des expé小鼠G的技巧énétiquement modifié所以他们的星形细胞libèrent des quantité该抑制剂的较低。通过在显微镜上检查神经元é我们发现了电子é que la myéline s’é很瘦,那个’节点空间增加了é。通过使用放大器électroniques pour dé为了使神经冲动并测量其传输速度,我们有更多的观察é qu’après que l’épaisseur de la myéline a ainsi diminué,脉冲在光神经中的传输était ralentie d’environ 20 %和动物的视觉ré点。我们也有réussi à通过注射凝血酶抑制剂取消所有这些效果– des molécules déjà approuvé用于治疗血管障碍。

我们的exp.é青少年支持一个新的假设èse : les changements d’é我的鞘的乳头éline repré感受一种新的可塑性形式é du système nerveux, régie par l’添加和撤回我的éline.

晚餐émentaires de myé线路未添加é当我们缠绕磁带时,轴突ésif autour d’一个螺纹,因为它产生了少突的臂。相反,一个新的int层é建立在s’螺旋缠绕在’annone就像我的湿滑蛇一样éline déjà présente。在此期间,’astrocyte périnodal peut dé弄脏我的外层é线和薄护套。 L.’é我的鞘的乳头éline n’est pas fixe ; elle reflète plutôt un é在线之间的动态平衡’添加层’轴突和控制下的外层ôle de l’astrocyte.

Régler la fréquence des ondes cérébrales

可塑性é de la myé线也可能有助于神经元电路的功能à l’apprentissage d’une autre manière : en réglant la fréC波的振动érébrales. Toute l’activité大脑中的神经元不会来自’entré感官。这项活动很多é est due à大脑中会发生什么ê我,在级别有意识和无意识。这项活动é自我生成包括不同的波浪érentes fré敲打大脑,就像发动机的振动一样’une voiture roulant à一定的速度从节省差异撞击érentes parties du véhicule à des fréquences de résonance.

这些c波éré杠杆或振荡被认为是érées comme un mécanisme clé允许夫妇r神经元é遥远的大脑园,可以ê对排序紧张信息及其传输很重要。例如,振动连接’activité皮层公关中的神经元é正面,它提供了语境意义,并且在’海马,负责’编码空间信息。这种耦合允许à一个人认识到î迅速成为工作的熟悉面孔,但它也使它变得更加困难’identification du même collè在一个未知的地方。

 

oligodendrocyte. (绿色) 准备涂抹轴突 (在紫色)我的éline.

©R. D. Fields,NIH和Nichd

 

更重要的是,可以’identifier les diffé睡眠阶段,批评储存mémoire à长期,由fréquences des ondes céré在这些p期间产生的孔ériodes. Nos expériences accumulées durant la journée sont rejoué睡眠期间和三人ées, certaines étant stockées, d’autres effacé根据他们与D的关系’autres souvenirs et é运动可能标记为潜在有用的动作。法国équence des ondes cérébrales associées est essentielle à这种整合M的过程é莫尔。但是脉冲的速度对于它们的同步也至关重要。

像两个孩子必须协调公关écisé他们的腿的运动运作了巴兰çoire à bascule, les dé传输可以在两个神经元的群体之间产生C波érébrales doivent être coordonnéS这样神经元切换és oscillent de façon synchrone malgrés的距离é削减大脑。可塑性é de la myé线在该过程中很重要,因为只有神经元中的一定的传导速率使得可以维持à la même fré振动耦合两个régions du cerveau.

这个结论是背景ée sur une modélisation mathéj的波浪的传播物理的matic’ai réalisée en 2014 avec mes collèjues sinisa pajevic和彼得贝尔,AM Instituteséricains de la santé. Tout récemment, en 2020, une étude mené据帕特里克·斯蒂德曼及其科尔è保罗·弗兰堡实验室的顾客,à l’université来自多伦多,贡献é un soutien expé令人信服的讽刺à cette idée.

使用小鼠G.énétiquement modifié我的élinisation pouvait ê研究人员暂时打断了é仅涵盖了容量é d’apprendre à害怕危险的环境和à se souvenir d’endroits sûrs dé悬挂新的新品é线。此外,他们已经观察过é que dans ce type d’学习,耦合’activité des ondes céré睡眠期间的鼓风机’opère entre l’海马和皮质PRé正面。最后,当他们强调ê仔细形成新的我的é线,神经元连接’弱化和小鼠é感受到一种疾病的疾病émoire souvent observé在人的人中ès un évé创伤,有邪恶à在适当的背景下担心恐惧é.

L’学习所有T.â复杂及其前é培养涉及协调操作é许多不同的神经元é在各种r.é大脑和N.é保持信号交叉棒éseaux neuronaux à最佳速度。我的鞘é线对于最佳传输至关重要,但到达âge avancé, 人们开始à perdre de la myé在他们的皮质c中线érébral。这é渐进的渐变是l’认知放缓和难度的原因之一é croissante d’学习相关的新事物és à la vieillesse.

考虑中断élé由于传输延迟导致的长距离语音。大脑的延误具有类似的效果。他们可以产生困难é认知和思想ée désorganisée在有心理障碍等人的人群中,如schizophré聂。事实上,在许多神经系统和精神病疾病中,观察到不同之处é在C波的振荡中érébrales. La maladie d’特别是Alzheimer相关联ée à白色物质的修饰。

médicaments qui contrô减缓我的生产é可以提供新方法来处理这些问题è我的。但尽可能多的形式’activité神经元影响我的é线化,各种其他技术,如’entraî认知,ré神经元居住和理发é强奸,也可以ê对治疗d是有用的éclin cognitif et d’autres troubles liés à l’âge.

去年1月Jung-Hae Youn’université Cha, en Coré南,他的科尔ègues ont montré qu’à l’结束了十个星期’exercices d’entraînement de la mé莫尔,人们âgées有一个更好的mé只有那些n’avaient pas suivi l’entraînement. De plus, l’imagerie cérébrale avant et après l’entraînement a révélé que l’intégrité连接白色物质纤维ées au lobe frontal é在人群中增加âgées qui avait suivi l’entraînement.

这些新概念已经开始é à改变我们对大脑的愿景。长éréE作为轴突的惰性绝缘,我的éline est devenue un élément clé de l’学习。而且很少à peu, l’aperçu tronqué du cerveau, centré sur la plasticité突触,我们仍然存在几年前ées laisse la place à l’image d’更重要的塑料大脑仍然比’on ne le pensait.

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