科学家发现青少年大脑中的“隐形”突触活跃区

几十年来，研究人员认为儿童时期突触数量会稳步增加，青春期后则逐渐减少。这一观点催生了一个广泛接受的理论：过度的“突触修剪”——即去除较弱或未被使用的连接的过程——可能导致神经精神疾病。而精神分裂症（可能出现幻觉、妄想和思维混乱等症状）常被认为与这一机制有关。

新研究挑战长期理论
日本九州大学的一组科学家如今发现了质疑这一长期观点的证据。在1月14日发表于《科学进展》的一项研究中，研究人员发现青春期大脑并非简单地消除连接，而是在这一发育阶段，会在神经元的特定部位形成新的、紧密排列的突触簇。

“我们最初并非为了研究脑部疾病，”九州大学医学部的今井健教授表示。“2016年开发出高分辨率突触分析工具后，我们出于好奇研究了小鼠大脑皮层。除了观察到神经元结构的美感外，我们惊讶地发现了一个此前未知的树突棘高密度热点——树突棘是树突上形成兴奋性突触的微小突起。”

聚焦关键脑层
大脑皮层由六层组成，它们协同工作形成高度复杂的神经回路。今井和同事们聚焦于第五层（Layer 5）的神经元，这些神经元从多个来源收集信息，并作为皮层的最终输出向外发送信号。正因如此，这些神经元是大脑处理信息的中枢控制点。

为详细研究这些细胞，团队使用了今井团队开发的组织透明剂SeeDB2，结合超分辨率显微镜。这种组合首次让研究人员能够观察透明的脑组织，并绘制整个第五层神经元的树突棘图谱。

青春期出现的突触热点
详细图谱揭示了一个意外模式：树突的某个特定区域树突棘浓度异常高，形成了研究人员所说的“热点”。进一步分析表明，该热点在生命早期并不存在，而是在青春期出现。

为确定这一变化发生的时间，团队追踪了不同发育阶段的树突棘分布。两周大（断奶前）的小鼠，树突棘在神经元上分布相对均匀；在3至8周龄（涵盖童年早期到青春期），顶树突的某个区域树突棘密度急剧增加，随着时间推移，这种局部生长形成了密集的突触热点。

“这些发现表明，公认的‘青春期突触修剪’假说需要重新考虑，”今井说。

与精神分裂症及脑部疾病的关联
这一发现也可能帮助解释某些脑部疾病的发展机制。“虽然突触修剪广泛发生在树突上，但在青春期皮层发育过程中，特定树突区域也在形成突触。这一过程的中断可能是至少某些类型精神分裂症的关键因素，”该研究第一作者、研究期间为九州大学医学研究生院研究生的江上谅表示。

为探索这一想法，研究人员检查了携带精神分裂症相关基因突变（包括Setd1a、Hivep2和Grin1）的小鼠。早期发育看似正常，出生后两到三周树突棘密度正常；但在青春期，突触形成显著减少，阻碍了热点的正常发育。

多年来，精神分裂症主要被认为是突触过度丢失导致的疾病。这些发现提出了另一种可能：青春期新突触形成异常可能起到关键作用。不过研究人员强调，他们的研究对象是小鼠，这些过程是否在灵长类动物或人类中发生仍不确定。

脑部发育研究展望
“未来，我们希望确定青春期哪些脑区在形成这些新的突触连接，”今井说。“这将告诉我们在这一发育窗口期实际构建了哪些神经回路。了解这些连接形成的方式和时间，有助于增进我们对脑发育及神经精神疾病潜在机制的认识。”