学新不忘旧，成人大脑是如何做到的？ | 经济学人科技

2022-12-16 03:12

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Science & technology | Silent synapses

科技 | 沉默突触

英文部分选自经济学人20221210文化版块

Science & technology | Silent synapses

科技 | 沉默突触

How adult brains learn the new without forgetting the old

学新不忘旧，成人大脑是如何做到的？

They keep a stock of unused synapses in reserve, to be activated as needed

成人大脑保留了一些未使用的突触，可以在需要时被激活

Learning new things is hard. Remembering what has already been learned is harder. Any successful learning system, be it a brain or a piece of artificial-intelligence software, must strike the right balance between stability and flexibility. It must be stable enough to remember important old things yet flexible enough to learn new ones without destroying old memory traces—preferably for as long as it exists.

学习新东西难，学了还要记住更是难上加难。无论是大脑还是人工智能软件，一套成功的学习系统必须在稳定性和灵活性之间的取得平衡：稳定体现在能记住学过的重要知识；灵活则是在不遗忘旧知识的前提下学习新知识。只要这个系统还在运行，这种平衡就要保持。

Learning is a result of changes in the pattern of neural connectivity in the brain. Each connection between nerve cells, called a synapse, is a tiny gap between the ends of branches ramifying from such cells. Messages jump across these gaps in the form of molecules called neurotransmitters. Current estimates suggest there are 600 trillion synapses in a human brain.

学习是大脑神经连接模式变化的结果。神经细胞之间的连接称为突触，是神经细胞分支末端之间的小缝隙。信息以名为神经递质的分子形式在这些缝隙中传输。目前估计人类大脑中有600万亿突触。

注释：

1.突触（synapse）：两个神经元之间或神经元与效应器细胞之间相互接触、并借以传递信息的部位。在光学显微镜下，可以看到一个神经元的轴突末梢经过多次分支，最后每一小支的末端膨大呈杯状或球状，叫做突触小体。这些突触小体可以与多个神经元的细胞体或树突相接触，形成突触。从电子显微镜下观察，可以看到，这种突触是由突触前膜、突触间隙和突触后膜三部分构成。

2.神经递质（neurotransmitter）是神经元之间或神经元与效应器细胞如肌肉细胞、腺体细胞等之间传递信息的化学物质。

How, then, to deal with the stability-plasticity dilemma—particularly as brains age and, as it were, fill up? Research by Dimitra Vardalaki, Kwanghun Chung and Mark Harnett at the Massachusetts Institute of Technology, just published in Nature, suggests one way is to preserve into adulthood a type of memory-forming synapse found in children. These are called silent synapses.

那么，该如何调和稳定性-可塑性的矛盾呢？尤其是在大脑老化以及脑容量空间不够的情况下。麻省理工学院的迪米特拉·瓦尔达拉基（Dimitra Vardalaki）、钟光勋（Kwanghun Chung）以及马克·哈内特（Mark Harnett）刚发表在《自然》（Nature）上的研究给出了解决方案：研究人员在儿童身上发现了一种能形成记忆的突触，叫作沉默突触，如果把这些突触保存到成年，则可以解决这个矛盾。

注释：

1，plasticity：在神经科学中，突触可塑性（Synaptic plasticity）是指神经细胞间的连接，即突触，其连接强度可调节的特性，即突触功能与结构上的变化统称为突触的可塑性。它与神经系统的发育、损伤后的修复以及学习记忆等重要脑功能的完成密切相关，长时程增强和长时程抑制是突触可塑性的两种主要表现形式，也是神经元网络可塑性的诱发者。对突触可塑性的研究已成为各种干预措施治疗神经精神类疾病的共同靶点，是神经康复领域研究的热点和重点。

2，silent synapses：沉默突触（silent synapse）是指具有突触结构，但在生理情况下没有传递功能的突触。沉默突触在某些情况下能转变为功能性突触并能增加突触联系（即能与其他末梢形成新的突触）。沉默突触转化为功能性突触在神经可塑性中具有重要的作用，阐明其产生和激活的机制将对神经系统研究产生深远的影响。

Silent synapses—which, as their name suggests, transmit no signal from one nerve cell to another—are often found on the ends of slender, immature protrusions from nerve cells, called filopodia. Until now, it had been thought that these disappeared as a brain matured. But Drs Vardalaki, Chung and Harnett have shown not only that they are present in adulthood, but also that they are common, at least in mice. Just over a quarter of the connections they sampled in adult mouse visual cortices were silent synapses on filopodia. And murine and human brains are sufficiently alike that something similar almost certainly applies to people.

顾名思义，沉默突触在神经元之间保持了沉默，不传递信号。通常潜伏在神经末梢纤细、不成熟的突起结构中，这一结构也称作丝状伪足。过去，人们一直认为随着大脑日渐成熟，沉默突触也慢慢消失。但现在，瓦尔达拉基博士、钟博士和哈内特博士认为沉默突触不仅存在于成年期，而在各个阶段都普遍存在，他们的这一观点已经在鼠脑中得到印证。他们在成年老鼠的视皮层取样中发现，略超过四分之一的连接结构是丝状伪足上的沉默突触。鉴于鼠类和人类的大脑非常相似，几乎可以肯定类似的情况也适用于人类。

To carry out their search for filopodia, the trio used a sensitive microscopy technique called EMAP. They studied 2,234 synapses between cortical nerve cells of a type called pyramidal neurons (pictured), which have thousands of synapses each. Peering through an emap microscope is enough to determine which cellular protrusions are filopodia. But it cannot show which synapses on them are silent.

为了寻找丝状伪足，这三位科学家使用了一种叫做EMAP的敏感显微技术。他们研究了锥体神经元（如图）的皮层神经细胞之间的2234个突触，每个神经元都有数千个突触结构。虽然通过EMAP显微镜观察足以确定哪些细胞突起是丝状伪足，但不能显示丝状伪足上的哪些突触是沉默突触。

To do that, they needed to test how the filopodia responded to glutamate, the brain’s main excitatory neurotransmitter. First, they had to deliver a controlled flow of glutamate to the particular synapse they wanted to test. To this end, they poured a soup of “caged” glutamate over the neuron under examination. This form of the molecule is inert until hit with energy from the intersection of two laser beams.

为此，他们需要检测丝状伪足对谷氨酸的反应如何，谷氨酸是大脑中主要的兴奋性神经递质。首先，他们必须将一定量的谷氨酸输送至想要测试的特定突触。为达目的，他们将“包裹的”液体谷氨酸浇在待测试的神经元上。在被两束交叉的激光能量击中前，分子会一直处于惰性状态。

Aiming those at the synapse under study enabled them to uncage the neurotransmitter and see, by measuring the electrical activity in that part of the neuron using an ultrafine electrode, whether the synapse responded. They found that mature pyramidal-neuron protrusions generated electrical activity when exposed to glutamate, as expected. Filopodia did not, confirming the silence of their synapses.

将激光瞄准研究中的突触神经元促使其释放神经递质。通过使用超细电极测量这一部分神经元的电活动，并观察突触是否有反应。试验结果和他们预测的一样，成熟的锥体神经元突起在接触谷氨酸时会产生电活动。丝状伪足却没有，这证实了沉默突触的存在。

Silent synapses are, however, useless unless they can be switched on at the appropriate moment. And the researchers confirmed this is possible. They were able to induce the silent versions on filopodia to turn into mature, active synapses by pairing the simulated release of glutamate with a subsequent surge of electricity inside the neuron.

然而，除非沉默突触能在适当的时候被激活，否则也毫无用处。研究人员证实了激活沉默突触的可能性。他们模拟谷氨酸释放后再加以神经元内部电流激增刺激，诱导丝状伪足上的沉默突触转变为成熟、活跃的突触。

This pairing of events caused silent synapses to start, within minutes, displaying receptor molecules characteristic of active synapses. The same pairing, applied to mature synapses, did nothing. The researchers thereby show it is hard to get a mature synapse to change the strength of its connection (thus satisfying the stability side of the dilemma), but easy to unsilence a silent one (satisfying the plasticity side).

这样一套操作使沉默突触仅在几分钟内就完成激活，表现出活跃突触的受体分子特征。同样的操作对于成熟突触中却没有产生任何作用。因此，研究人员表示，要让成熟突触改变连接强度（从而满足稳定性需求）十分困难，而激活沉默突触（满足可塑性需求）相对容易很多。

The next thing to investigate is how, why and when new filopodia appear. The discovery of all these eager-to-learn silent synapses and filopodia, Dr Harnett says, “is a lever for us to get into understanding learning in adults and how potentially we can get access to make it not degrade over the course of ageing or disease”.

接下来要研究的是丝状伪足产生的方式、原因和时间。哈内特博士认为，发现这些时刻准备着学习的沉默突触和丝状伪足“可以帮助我们进一步了解成年人的学习机理，也可能帮助我们找到抗击大脑因老化或疾病而衰退的方法。”

翻译组：

Cathy，魔都卧客er不躺平，好好翻译

琚儿，女，QE在职，梦想能仗翻译/音乐/健康走天涯

Trista，女，虽然我是无业游民，但是我并没有骄傲。

校对组：

Dossver，男，是错永不对真永是真

奥莉，梦想讲相声的中二病患者，猫是本体

Rachel，学理工科，爱跳芭蕾，热爱文艺的非典型翻译

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来源: qq

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