人類大腦如何將外部信息轉(zhuǎn)化為自己的記憶？作為“人類大腦計(jì)劃”的一部分，來自德國、瑞典和瑞士的科研小組研究了大腦紋狀體中的神經(jīng)元回路。研究結(jié)果發(fā)表在近期的《計(jì)算生物學(xué)》雜志上，對(duì)理解神經(jīng)系統(tǒng)的基本功能具有重要意義。
大腦信息處理發(fā)生在通過突觸連接的神經(jīng)回路內(nèi)，突觸的任何變化都會(huì)影響我們記憶事物，或?qū)δ承┐碳ぷ龀龇磻?yīng)的方式。利用突觸可塑性可以操縱這些神經(jīng)回路，該過程中某些突觸會(huì)隨著時(shí)間的流逝而增強(qiáng)或減弱，具體取決于神經(jīng)元的活動(dòng)。
研究小組分析了這些突觸變化的生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步破譯了可塑性機(jī)制。研究負(fù)責(zé)人之一、斯德哥爾摩皇家技術(shù)學(xué)院的杰內(nèi)特·可塔爾斯基解釋說：“模擬可塑性機(jī)制對(duì)于理解某些由分子計(jì)算產(chǎn)生的高級(jí)現(xiàn)象，例如學(xué)習(xí)和記憶形成至關(guān)重要。”
在神經(jīng)元中，外部和內(nèi)部信息處理通過突觸可塑性，將突觸信號(hào)在腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸。腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的單個(gè)分子也可以執(zhí)行這些生化反應(yīng)，通常是一種稱為AC酶。例如，哺乳動(dòng)物中的腺苷酸環(huán)化酶家族，可將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子（cAMP），這是細(xì)胞最重要的次級(jí)信使之一。
德國尤利希研究中心的保羅·卡羅尼稱：“某些輔助蛋白質(zhì)化學(xué)反應(yīng)是通過靶向AC酶來啟動(dòng)的，而其他酶則會(huì)阻止它們。我們的工作向更好地理解這些AC蛋白的“分子識(shí)別”邁出了重要一步，神經(jīng)元可以極高的精確度和準(zhǔn)確性控制AC酶催化反應(yīng)的速率。這反過來又激活了神經(jīng)元功能所必需的后續(xù)過程。”
大腦表達(dá)由9種膜結(jié)合的AC變體，其中AC5代表紋狀體中的主要形式。在基于反應(yīng)的學(xué)習(xí)中，cAMP的產(chǎn)生對(duì)于加強(qiáng)從皮質(zhì)神經(jīng)元到紋狀體主要神經(jīng)元的突觸至關(guān)重要，并且產(chǎn)生取決于多種神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，例如多巴胺和乙酰膽堿。首席研究員麗貝卡·旺德總結(jié)說：“在這項(xiàng)研究中，我們匯集了來自4個(gè)不同研究所科學(xué)家的專業(yè)知識(shí)，共同開發(fā)一種多尺度仿真方法，并使用它來創(chuàng)建依賴AC5的信號(hào)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型?！保ㄓ浾哳欎摚?/p>
