神经科学

学习,神经元和髓磷脂的故事

On pensait que la myéline, cette 白色物质 qui occupe une grande partie du cerveau, jouait surtout le rôle d’isolant électrique. En fait, cette membrane est une alliée indispensable des neurones pour l’apprentissage et la mémorisation.

道格拉斯菲尔德 科学N°511
神经科学家

我们两耳之间一公斤半的松弛肉如何学习 ? Nos idé关于这个问题的问题可以追溯到expériences d’Ivan Pavlov 显示ant que les chiens apprennent à saliver au son d’une cloche. En 1949年,加拿大心理学家唐纳德·赫布改编é la « règle de l’联想学习 »博士解释脑细胞如何获得è租知识。关于é当两个神经元兴奋时é一起发送ément 冲动é电气,它们之间的连接– les synapses –互相加强。发生这种情况时,’学习发生了。对于狗来说,这意味着大脑知道如何获得黄金énavant que le son d’une cloche est immé紧随其后的是食物。一个éorie souvent résumée par la formule : « Des neurones excité在一起在一起。 »

théorie s’est révélé固体,神经科学家有écrit en détail les mécanismes moléculaires qui gouvernent les changements des synapses durant un 学习。 Mais tout ce dont nous nous souvenons ne résulte pas d’une récompense ou d’惩罚。实际上,大多数expériences sont oubliées。发生神经元兴奋é在一起不会互相结合。我们记得的是épend de notre réaction émotionnelle à une expé力,它的新颖性é, 何时何地ù l’événement s’是我们水平的’期间的注意力和动机’évé精神,以及对这些思想的处理é睡眠中的感觉和感受。通过关注突触,我们构造了一个简单的faç我们学习并记录相关的记忆és.

其实,加强’突触是不够的à产生一个记忆,除了réflexes les plus élé简单电路中的导师。整个大脑的巨大变化是nécessaires pour créer un souvenir cohé出租。您是否还记得前一天晚上与客人的谈话és或您使用compé作为v的实践而获得的时élo, les 活动é许多R中有数百万个神经元égions diffé您的大脑年金必须结合在一起才能产生COH记忆érent qui mêle é情绪,图像,声音,气味,气味équences d’événements et 其他expériences mémorisées.

D’autres mé细胞必须être à l’œ工作。基于此观察,神经科学家寻求é解释如何’信息传递,特质ée et stocké在大脑中’学习。在过去的十个ères années,他们了解’iconique « matière grise »构成外表面érieure du cerveau n’不是唯一的参与方ée. Les zones situé在这个灰色且打褶的表面下ée jouent aussi un rôle essentiel dans l’学习。这些最后ères années, une série d’études mené在我的实验室和其他地方élucidé这些过程,提出了新的方法ç治疗精神疾病和é困难时出现的发展és d’学习得以体现。

如果突触变化还不够,当您学习某些东西时大脑会发生什么 ? Aujourd’hui, les méthodes d’imagerie par résonance magné勾号(MRI)可让研究人员看到à travers le crâne d’une personne et d’检查大脑的结构。通过分析图片é的产品,研究人员开始é à remarquer des diffé在人的大脑结构中étences spécifiques très développées。例如,音乐家有é听觉皮层é比非音乐家轻食。在dé研究人员认为é que ces différences subtiles pré有黑管演奏家和钢琴演奏家à在他们的领域表现出色。但是研究超érieures ont 显示é que l’学习会改变大脑的结构。

而且,改变组织的学习éré野牛不只是关于补偿é感觉运动张力épé像这样的练习’一件乐器。在 2006年,神经科学家Bogdan Draganski,今天’hui à l’université瑞士洛桑市和他的同事ègues ont constaté que chez des étudiants en médecine qui avaient étudié pour un examen, le volume de 马蒂è再灰色增加了é。各种细胞变化都可能引起这种增加,例如新神经元和所谓的非神经元细胞的诞生。« gliales »。血管变化,甚至生长和’é轴突和枝晶滞后– s的扩展’étendent à partir du corps d’un neurone –,可以做ême.

它发生了ê我认为这些变化比PR发生得快得多évu durant l’apprentissage. En 2012年,Yaniv Assaf,来自’université特拉维夫市和他的同事ègues ont 显示é que 16 在vid游戏中玩圈éo informatisé足以引起变化’新玩家海马。该事实égion cérébrale concernée soit l’hippocampe n’est pas surprenant : cette réion园对’空间学习力é à导航。在d’autres é最后研究Yaniv Assaf和indé与此同时,海蒂·约翰森·伯格(Heidi Johansen-Berg)来自’université d’Oxford, ont dé涵盖了变化发生在大脑的意外区域,包括égions dé与神经元或突触,称为« substance blanche ».

中号illiards de faisceaux blancs

如果è意识时代是皮质éré野牛,外层3毫米ètres d’é人脑的厚度。大多数研究人员’attendaient donc à找到由’学习。但是在这个表层之下,数十亿束’axones très serrés(神经纤维),有点像盘绕纤维é在皮革d的皮下’棒球,连接马蒂的神经元è重新显示灰色。这些纤维束是白色的,因为轴突被’一种叫做脂肪的物质ée « myéline »充当绝缘体é电乘 50 à 100神经冲动的传播速度。 Lé白质的疾病和疾病是重要的研究领域,但直到’à ré最近,我们已经同意é peu d’attention à un éventuel rôle de la myé线治疗l’information et l’apprentissage.

在过去的十个ères années, cependant, des études ont commencé à mettre en é显然,通过成像cérébrale, des différences dans la 白色物质 d’experts aux compétences variées,尤其是具有良好阅读和算术能力的人étique. La 白色物质 de golfeurs confirmé和杂耍演员进入înés pré也觉得比较érences par rapport à新手的,我们有ême corrélé volume de 白色物质 et quotient 整型ellectuel. Si le traitement de l’information et l’apprentissage découlent du renforcement des connexions synaptiques 输入e les neurones de la 马蒂ère grise, pourquoi l’学习对c有影响â脑深部损伤 ?

Réponse a commencé à émerger d’études mené在我的实验室里à l’é细胞规模,瞄准à comprendre comment 突触 – mais aussi d’大脑的其他部位 – changent durant l’学习。对我们而言,超越视野似乎至关重要à突触,因为大多数é可用于治疗神经和心理疾病的药物会影响突触传递。但是,迫切需要’更有效的代理商。通过专注于突触传递,存在着à côtéd的更好的治疗émence, la dé压力,精神分裂症é否认或创伤后应激障碍。

在début des années 1990年,我的实验室在研究所éricains de la santé, et d’autres ont commencé à探索可能性é胶质细胞étectent l’r中的信息流通é神经桶并将其修改为é提高性能。 résultats expérimentaux accumulés depuis 显示ent que tous les types de cellules gliales réagissent à l’activité神经元,并能够改变’大脑中的信息。大号’une des dé最令人惊讶的封面涉及我的éline.

这种绝缘是形式é卷曲细胞膜层é像电气胶带一样围绕轴突é电动。在大脑和骨髓中épiniè再说,这些是章鱼形的神经胶质细胞,少突胶质细胞,提供’缠绕。在四肢和躯干中’就像香肠状的神经胶质细胞,雪旺氏细胞一样。数’少突胶质细胞抓住轴突并卷起é像手叠一样将所有线段分段é棒球运动员抓住蝙蝠为déterminer quelle é团队将首先罢工。大号’我两段之间的微小空间é线暴露了’axone nu de 1 micromètre de long où集中产生脉冲的离子通道électriques.

这些空间,命名为és « nœuds de Ranvier »,像répéteurs bioélectriques :他们传递了冲动électriques, de nœud en nœud, le long de l’轴突。脉冲传输速度提高à作为我的层次éline s’环绕’轴突,这些层é更好地防止电压损失。另外,当我的细分éline encadrant un nœud de Ranvier让它更多é狭窄,一脉électrique s’y dé触发速度更快,因为少量充电所需的时间更少é从结膜到’à la tension né打开离子通道并产生’impulsion.

伤害我的疾病é行,例如sclé斑块玫瑰和格林-巴尔综合征é, 输入aînent parfois de graves handicaps, car la transmission 冲动nerveuses échoue lorsque l’isolant est altéré. Mais jusqu’à récemment, l’idée que 冲动nerveuses puissent modifier la myé常规行不存在’unanimité. Et mê我如果我的结构éline était modifiée,如何以及为什么会有élioré性能和’apprentissage ?

L’解释隐藏在我们眼前。她回来了àc上的旧格言â兴奋神经元的阻滞é在一起。总而言之éseau complexe d’信息或运输’heure d’arrivé中继点的e至关重要– 考虑丢失的比赛ées à cause d’un train en retard.

人脑每个连接器的传输速度如何églée de façon qu’冲动正好在正确的时间到达 ?我们知道信号électriques se déplacent au rythme d’在一些轴突中缓慢行走,但旋转à la vitesse d’d中的赛车’其他。来自两个轴突的信号会聚在充当中继点的神经元上’仅在旅行时间会一起到达à从他们的来源进行了优化é弥补差异é两个轴突的长度和沿每个连接器的脉冲速度变化。

我的éline s’étant révélée un moyen particuliè高效访问élérer冲动的传递,我的é因此,轴突的线性化将促进信息的最佳传输à travers le ré桶。如果少突胶质细胞étectent le trafic d’神经回路和信息éagissent, un rétrocontrôle de l’axone pourrait ré整理我的形成éline et la faç在它上调整的传输速度’冲动。但是少突胶质细胞é它们会影响轴突中循环的神经冲动吗 ?

少突胶质细胞à l’affût

在最后二十ères années, notre équipe et d’autres ont identifié许多神经递质和其他分子é传达pr信号的细胞ésence d’une 活动é électrique dans l’轴突和刺激我的élinisation. 我们的经验ériences ont 显示é que lorsqu’un neurone est excité,神经递质是libéré不仅在突触,而且一直’axone. 我们有é报道少突胶质细胞的延伸探测了轴突的裸露部分à寻找lib神经递质érés由轴突兴奋és. Lorsqu’扩展触及激动的轴突é,他建立了联系« par point de soudure »,允许’axone et l’少突胶质细胞。后者然后开始à synthétiser de la myéline à cet endroit et l’enroule autour de l’axone.

而且,当我们给é à des oligodendrocytes en culture le choix 输入e myéliniser des axones é电激活或已处理és à肉毒杆菌毒素êcher la libé比例的神经递质,少突胶质细胞é轴突的频率高八倍é电动的宁可ôt que pour ceux qui étaient silencieux. Il 是Donc possible que, lorsqu’一个人学习à jouer 信à É 在钢琴上,裸露的轴突被包裹起来és de myé线或那我的鞘的体积é有源电路中现有线路的增加és de façon répétée练习期间élérant le flux d’R中的信息éseaux céré布劳克斯通过MRI,新的éline apparaît alors sous la forme de modifications de la 白色物质 dans des zones du cerveau nécessaires à音乐练习。

Récemment, plusieurs équipes ont vérifié潜力’action – 信号沿着轴突传播 – stimulent la myé暴露区域的边缘化ées de ces câbles neuronaux. En 2014年,米歇尔·蒙耶,à l’université de Stanford, aux É美国等。ègues ont 显示é在小鼠中作为optog刺激éné(使用激光激发神经元的技术)可增加血压é大脑中的线性化。 même année,威廉·理查森(William Richardson),来自’伦敦大学学院和他的同事ègues ont démontré que lorsque l’on empê形成新的我é在老鼠身上排线,需要更长的时间à 学习à在一些有轮子的车轮上运行été retirés。最后,通过共聚焦显微镜观察é鱼z线èbres vivants, l’éDavid Lyons团队,à l’université d’É爱丁堡和布鲁斯·阿佩尔(Bruce Appel)à l’université du Colorado à Denver, ont indépendamment observé que lorsqu’他们抑制了解放é小轴突的定量é含有神经递质的小节,通常是第一个ères couches de myéline s’enlevaient et l’oligodendrocyte arrê是整个过程。

而且,在étude publié去年一月与学院的加藤大辅é supérieure de médecine de l’université来自日本神户,以及’autres collègues japonais, nous avons 显示é que la myéline favorise l’通过差异学习érents potentiels d’沿着轴突行进的动作到达mê我在运动皮层的时间é控制大脑的gionôle le mouvement. 使用鼠标génétiquement modifiées以便其容量é de myélinisation soit altérée et qui avaient été 输入aînées à tirer un levier pour recevoir Ré补偿,我们必须écouvert que l’学习这个âche augmentait la myé皮层运动

另外,通过记录神经冲动à l’aide d’é电极,我们发现é的潜力’action é同步性较差é小鼠运动皮层中的sésentant une myélinisation dé有益的。然后我们刺激é到达同步ées des potentiels d’作用于运动皮层的作用çant les neurones à s’在适当的时间通过optog打开énétique. Les souris présentant une myélinisation dé然后执行é sans difficulté la tâche apprise. À术语,微创刺激形式céré布雷尔可能构成一个é对神经和心理疾病有效的强奸à我的烦恼élinisation.

尽管é ces avancées,刺激c可能éré布雷并不总是足够的à允许新的学习。确实,必须有一个限制à势速d’沿着轴突动作,因此à la capacité du cerveau à synchroniser l’arrivée de potentiels d’r的关键中继点的动作é神经桶,如果某些冲动是特定的è真的很快。通过缺点é后来,我们考虑é la possibilité qu’il existe aussi un moyen de ralentir les impulsions qui 到了ent trop vite à这些中继点。

由于我的鞘é轴突周围的线能够’accélérer de façon contrôlés中的e信号传输’é变厚,会减慢它们的速度ême en s’amincissant ?在工作之前,我们不知道é那些可能会验证这一过程的独裁者,除了那些é破坏我的疾病é线性化。但是我们最后ères研究,已出版ées en 2018, ont révélé qu’涉及另一种神经胶质细胞é在这些修改中« plastiques » du système nerveux.

Près du nœRanvier的ud是神经胶质细胞ée « astrocyte ». Les 星形胶质细胞s ont de nombreuses fonctions. En particulier, ce sont eux qui assurent l’神经元供应énergie, en pré增加血管中的葡萄糖并将其转化为乳酸(神经元的燃料),然后再提供给它们。但是,大多数神经科学家并不’intéressent pas à ces cellules, car elles ne communiquent pas avec les 其他通过 冲动é电气的。当然在最后ère décennie, des recherches ont 显示é que les 星形胶质细胞s à proximité de la synapse 输入e deux neurones étaient capables de réy lib学习过程中的突触传递é或通过吸收其中的神经递质。但直到’à ré准确地说,生物学家écialistes de la myé线趋于à né滑行这些细胞,特别是一种’astrocytes qui pourtant 输入ent en contact avec les axones au niveau de leurs nœuds de Ranvier.

这些所谓的星形胶质细胞如何« périnodaux »他们是否介入’我的鞘变薄éline ?就像转换vê这些细胞帮助à couper les « coutures ». La gaine de myéline est attachée à l’轴突旁的nœRanvier的ud。在显微镜下é电子,这些连接出现为之间的缝线的螺旋’axone et la myé线,组成每个点的线程组成és d’三摩尔复合物écules d’adhé细胞离子。我们对摩尔成分的分析éculaire de ces points de couture a 显示é que l’une de ces trois molé暗疮,神经钙蛋白 155, présente un site qu’une enzyme spé关键是凝血酶能够被切开,然后变薄éline.

thrombine est fabriquée由神经元发出,但pénè也在大脑里à partir du systè血管我。当我的éline se décolle de l’axone, la quantité d’axone dénudé au nœRanvier的ud增加。我的外层éline est attachée à l’axone juste à côté des 星形胶质细胞s pé原理当我的éline s’est détachée de l’轴突,其外层撤退到少突胶质细胞,使鞘变薄。大号’élargissement de l’espace nodal et l’我的鞘变薄é线会降低脉冲传输速度。

我们有écouvert que l’astrocyte périnodal, en libé可以作为凝血酶抑制剂ô切断连接我的éline à l’轴突。我们有男人é des expé老鼠会议énétiquement modifiées,使它们的星形胶质细胞释放èrent des quantité较弱的这种抑制剂。在显微镜下检查他们的神经元é电子,我们发现é que la myéline s’é被减薄,那’节点空间已增加é。使用放大器électroniques pour dé观察神经冲动并测量其传播速度,我们也观察到é qu’après que l’épaisseur de la myéline a ainsi diminué,在视神经中传递脉冲était ralentie d’environ 20 %和动物的视野ré挑。我们也有éussi à通过注射凝血酶抑制剂消除所有这些作用– des molécules déjà approuvées用于治疗血管疾病。

我们的经验é证据支持新的假设èse : les changements d’é我的护套厚度éline repré感觉到一种新的可塑性é du système nerveux, régie par l’添加和删​​除我的éline.

额外的层émentaires de myé线未添加ées aux axones comme on enroulerait du ruban 阿德ésif autour d’一条线,因为这会绑住少突胶质细胞的手臂。相反,一个新层inté更高的内置s’环绕螺旋缠绕’轴突像一条蛇在我的下滑动éline déjà pré感觉。同时,’astrocyte périnodal peut dé弄脏我的外层é线并变薄护套。大号’é我的护套厚度éline n’est pas fixe ; elle reflète plutôt un équilibre dynamique 输入e l’在其旁边添加层’轴突和控制下的外层去除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回路的功能和à l’apprentissage d’une autre manière : en réglant la fréc波振荡频率érébrales. Toute l’activité大脑中的神经元不是来自’entrées sensorielles. Une grande partie de cette 活动é 是Due à大脑本身发生了什么ême, aux niveaux conscient et inconscient. Cette 活动é自我产生的差异波érentes fré遍及大脑的频率就像’une voiture roulant à一定速度会使罐装差异嘎嘎作响érentes parties du véhicule à des fréquences de résonance.

这些浪céré认为是辫子或振动érées comme un mécanisme clé允许耦合r的神经元é大脑的远处,ê对于整理神经信息及其传播非常重要。例如,振荡将’activité皮层神经元é额叶,提供上下文的意义,’海马,负责’空间信息的编码。这种耦合允许à认识的人î很快在工作中成为熟悉的面孔,但这也使工作变得更加困难’identification du même collègue在一个未知的位置。

 

少突胶质细胞 (绿色) 准备包裹轴突 (紫色)从我的éline.

©NIH和NICHD的R.D.Fields

 

更重要的是,有可能’identifier les diffé租用睡眠阶段,对于存储émoire à从长期来看équences des ondes céré在这些过程中产生的辫子ériodes. 我们的经验ériences accumulées durant la journée sont rejoué睡眠和分类时ées, certaines étant stockées, d’autres effacées根据它们与d的关系’autres souvenirs et é动作,可能会将其标记为可能有用。法国équence des ondes cérébrales associées est essentielle à合并的过程é云纹。但是脉冲的传输速度对其同步也至关重要。

就像两个孩子必须协调公关一样écisé腿部动作以激活平衡çoire à bascule, les délais de transmission 输入e deux populations de neurones produisant des ondes cérébrales doivent être coordonné使得神经元耦合és oscillent de façon synchrone malgrés的距离épare dans le cerveau. 可塑性é de la myé线在此过程中很重要,因为只有一定的神经元传导速度才能维持à la même fré耦合两个r的振荡的频率égions du cerveau.

这个结论是实质性的ée sur une modélisation mathé波传播物理学理论’ai réalisée en 2014 avec mes collè来自Instituts am的gues Sinisa Pajevic和Peter Basseréricains de la santé. Tout récemment, en 2020, une étude mené由Patrick Steadman和他的同事撰写è在保罗·弗兰克兰(Paul Frankland)的实验室里,à l’université来自多伦多é un soutien expé令人信服的à cette idée.

使用鼠标génétiquement modifié在我的élinisation pouvait ê暂时中断,研究人员不得不é作为容量覆盖é d’apprendre à害怕危险的环境à se souvenir d’endroits sûrs dé挂在新的我的形成é线。此外,他们发现é que dans ce type d’学习,’activité des ondes céré睡眠中的’opère 输入e l’海马和皮层é额叶。最后,当他们ê主持了新我的培训é线,神经连接’减弱和小鼠公关é感觉到一种类型的混乱émoire souvent observé chez les personnes qui, 后ès un évé有创伤,有困难à将恐惧与适当的背景联系起来é.

L’学习任何tâ车夫和她的前任é切割涉及协调操作é许多差异神经元é各种租金é大脑和n的小精灵é停止信号通过大Réseaux neuronaux à最佳速度。我的鞘é线对于最佳传输至关重要,但要实现âge avancé, 人们开始à perdre de la myé皮层中的线cérébral。这个dé渐变等级是l’认知减慢和困难的原因之一é croissante d’学习新事物és à la vieillesse.

考虑通讯中断élé由于传输延迟而产生的长距离语音。大脑延迟有类似的作用。他们可能会造成困难é认知与思想ée désorganisé患有精神分裂症等心理疾病的人é否认。确实,在许多神经系统疾病和精神疾病中,存在差异éc波振荡érébrales. La maladie d’尤其是阿尔茨海默氏症ée à des modifications de la 白色物质.

中号édicaments qui contrô减慢我的生产é生产线可以提供解决这些问题的新方法。è我的但是像许多形式的’activité神经元对我的影响élinisation, diverses 其他techniques, comme l’entraî认知发展é神经营养和体质é雷比,也可以ê对治疗d有用éclin cognitif et d’autres troubles liés à l’âge.

去年1月,郑海海(Jung-Hae Youn)来自’université Cha, en Coré南方的e和他的同事ègues ont 显示é qu’à l’十周后’exercices d’entraînement de la mé云纹,人âgé他们有一个更好的é云纹比那些不’avaient pas suivi l’entraînement. De plus, l’imagerie cérébrale avant et 后ès l’entraînement a révélé que l’intégrité des fibres de 白色物质 reliées au lobe frontal é在人群中有所增加âgées qui avait suivi l’entraînement.

这些新概念已经开始é à改变我们对大脑的看法。长期考虑érée作为轴突的惰性绝缘体,éline 是Devenue un élément clé de l’学习。还有一点à peu, l’aperçu tronqué du cerveau, centré sur la plasticité突触,我们几年前ées laisse la place à l’image d’大脑比’on ne le pensait.

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