改寫教課書：新發現挑戰神經元如何運作的傳統智慧

Rewrite the textbooks: Findings challenge conventional wisdom of how neurons operate
http://www.physorg.com/news/2011-02-rewrite-textbooks-conventional-wisdom-neurons.html

February 17, 2011

神經元很複雜，不過基本的運作概念是：突觸（synapses）將電訊號傳送到樹突（dendrites）與細胞本體（輸入），而軸突（axons）則將訊號帶離（輸出）。眾多令人訝異的發現之一，是西北大學的科學家發現軸突能夠逆向操作：它們也能將訊號送到（神經）細胞本體。

原來，軸突也能彼此交談。以逆向方式傳送訊號之前，軸突可在沒有任何其他細胞本體或樹突涉入的情況下，完成它們自己的神經計算。這與典型的神經元溝通相反，在此，一個神經元的軸突與另一個神經元的樹突或細胞本體（而非其軸突）接觸。而且，不像樹突中所完成的計算，發生在軸突中的計算慢了數千倍，這很可能為神經元創造出一種方法：在樹突中運算較快的事，在軸突中算較慢的事。

對於研究神經疾病（例如伊比力斯症 (癲癇)、自閉症、阿茲海默症與精神分裂症）的科學家而言，更深入理解一個正常的神經元如何運作，至關緊要。

這些發現發表在 Nature Neuroscience 期刊的二月號中。

"對於神經元如何運作，我們發現了一些很根本的東西，那與你在神經科學教課書中所找到的資訊相反，" Nelson Spruston 說，這篇論文的資深作者，同時也是 Weinberg 藝術與科學學院的神經生物學與生理學教授。"訊號能從軸突末端朝細胞本體傳播，與平常剛好相反。看見這個讓我們感到很驚訝。"

他與他的同僚首先發現，即使在細胞本體或樹突內缺乏電刺激的情況下，個別的神經細胞也能夠發射訊號。那並非總是刺激 in ，立即的動作電位（action potential）out。（動作電位是神經元所使用的基本電訊號元素；它們是神經元膜電壓非常短暫的變化。）

類似於「我們記下一個電話號碼以供稍後使用」的那種工作記憶（working memory），神經細胞能在一段很長時間內儲存與整合刺激，從數十秒到數分鐘。（這對於神經元來說非常久。）接著，當神經元達到一個閾值時，即使在缺乏刺激的情況下，它都會發射一長串訊號，或稱動作電位。研究者稱此為持續性發射（persistent firing），而那似乎都在軸突內發生。

Spruston 等人刺激一個神經元達一分鐘到二分鐘，每十秒鐘刺激一次。神經元在這段期間內會發射，但是當刺激停後，神經元會繼續發射達一分鐘。

"一想到神經元能在沒有刺激的情況下持續地發射，就覺得非常不尋常，" Spruston 表示。"這是某種新東西 -- 神經元能在一段長時間內整合資訊，那段時間比典型的神經元運作速度還要長，那是數毫秒到一秒。"

這種獨特的神經元功能也許與正常過程有關，諸如記憶，但那也可能與疾病有關。這些抑制神經元（inhibitory neurons）的持續性發射也許抵銷了腦中過動狀態，例如防止伊比力斯發作期間所發生的脫韁刺激。

Spruston 將這種持續性發射的發現歸功於 Mark Sheffield（其實驗室內的畢業生）的敏銳觀察。Sheffield 為此論文第一作者。

研究者認為其他人曾在神經元中見過這種持續性發射，不過把它當成訊號紀錄過程中某件事出了差錯。當 Sheffield 在其所研究的神經元內看見發射時，他等待，直到它停止。接著，他刺激神經元好一段時間，然後停止刺激，接著觀察神經元稍晚的發射。

"這種細胞記憶（cellular memory）很新奇，" Spruston 說。"神經元正對其在一分鐘前後所發生的事的「歷史」做出回應。"

Spruston 與 Sheffield 發現，細胞記憶儲存在軸突中，而動作電位在比他們所預期還要更遠的軸突位置上產生。那並非在靠近細胞本體之處，而是朝軸突末端產生。

其個別神經元（來自老鼠的海馬迴與新皮質）的研究導致以多個神經元進行實驗，那或許導致最大的驚訝。研究者發現，一個軸突能與另一個交談。他們刺激一個神經元，並在另一個未被刺激的神經元中偵測到持續性發射。沒有樹突或細胞本體涉及這種通訊。

"軸突彼此交談，但那如何運作全然是個謎，" Spruston 說。"下一個大問題是：這種行為有多廣泛？這是一件怪事或是在許多神經元中發生？我們不認為這很罕見，所以了解在什麼狀態下它會發生以及這如何發生，對我們來說很重要。"

※ 相關報導：

＊ Slow integration leads to persistent action potential firing in distal axons of coupled interneurons
http://www.nature.com/neuro/journal/v14/n2/abs/nn.2728.html

Mark E J Sheffield, Tyler K Best, Brett D Mensh,
William L Kath, Nelson Spruston
Nature Neuroscience, 14, 200–207 (2011)
doi: 10.1038/nn.2728

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