人类的学习之旅始于大脑内部错综复杂的细胞网络。例如，当第一次看到并识别狗狗的特征——四条腿、毛皮、尾巴，大脑中的神经元开始协同工作，响应编码这些特征的信号，这使得幼儿学会了辨认小狗。然而，在个体出生前，甚至在任何实际经验和感官输入引导细胞回路构建之前，大脑就已经在悄然搭建其基础架构。那么，这一切是如何启动的呢？

耶鲁大学的研究团队在最新研究中揭示了答案：在经验尚未来得及塑形大脑之前，脑细胞就已按照一套固有的规则开始组织成神经网络。这一规则与后期经验驱动下的神经连接形成相同，即“一起活跃的细胞会联结在一起”。不过，这里的驱动力并非外部经验，而是源自细胞内部的自发活动。

相关研究结果发表在2024年8月16日的Science期刊上，论文标题为“Hebbian instruction of axonal connectivity by endogenous correlated spontaneous activity”。

论文的共同通讯作者、耶鲁大学医学院神经科学教授Michael Crair阐述：“我们的核心问题在于大脑发育期间神经线路的形成机制，以及指导其布局的内在法则。”

本研究聚焦于小鼠的视网膜神经节细胞，这些细胞向大脑中的上丘区投射信号，与下游神经元建立联系。研究人员监测了单个视网膜神经节细胞的活性变化、以及其发育过程中的结构演变。此外，他们还对眼睛尚未睁开的清醒新生鼠的细胞活动进行了检测。先进显微技术与荧光蛋白的结合应用，让追踪细胞活动及其形态改变成为可能。

以往研究已证实，即使在感官体验出现前，比如人类胎儿期或幼鼠睁眼前数天，神经元的自发活动会相互关联，形成波动。在本项研究中，研究人员观察到，当单个视网膜神经节细胞的活动与邻近细胞的自发波动高度一致时，该细胞的轴突——负责细胞间连接的部分，会生发出新的分支；反之，若活动同步性低，则轴突分支将被修剪。

共同通讯作者、耶鲁大学医学院神经科学助理教授Liang Liang指出：“当细胞同步放电时，它们之间的联系得到强化。轴突的新分支有助于视网膜神经节细胞与上丘中同步活跃的神经元建立更多连接。”这一发现呼应了心理学家Donald Hebb在1949年提出的“赫伯定律”——当一细胞反复激发另一细胞放电，两者的联系就会增强。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adh7814

Crair强调：“赫伯定律在心理学领域被广泛用于阐释大脑学习的基础，而我们的研究在细胞层面验证了它同样适用于早期大脑发育。”通过干扰细胞与自发波动间的同步性，研究团队进一步确认了细胞分支形成的最佳位置。类似自发活动现象亦出现在脊髓、海马体和耳蜗等区域，尽管具体模式各异，但相似的规律可能主导着这些回路的细胞布线方式。

未来研究将探究这些轴突分支模式在小鼠睁眼后是否持续，以及新分支形成时下游神经元如何响应。Liang表示：“我们将继续整合大脑发育与单细胞成像的专业知识，探索精确神经活动模式如何引领大脑回路的装配与优化，贯穿整个发育阶段。”

参考资料：

Naoyuki Matsumoto et al. Hebbian instruction of axonal connectivity by endogenous correlated spontaneous activity. Science, 2024, doi:10.1126/science.adh7814.