《Nature Neuroscience》上的新研究推出了一項名為DELTA的新型成像技術(shù)，能夠以單突觸分辨率實(shí)時(shí)追蹤學(xué)習過(guò)程中全腦神經(jīng)元連接的動(dòng)態(tài)變化。這一突破性技術(shù)為科學(xué)家解析行為變化背后的神經(jīng)機制提供了全新視角，首次將微觀(guān)突觸活動(dòng)與宏觀(guān)行為調控精準關(guān)聯(lián)。

神經(jīng)元通過(guò)名為突觸的小連接傳遞毫秒級信號。經(jīng)歷會(huì )導致這些連接強度的變化，這一過(guò)程稱(chēng)為突觸可塑性，是學(xué)習和記憶的基礎。然而，學(xué)習過(guò)程中這些變化具體發(fā)生在大腦的哪個(gè)部位，目前仍不清楚。

研究人員設計了一種新方法，以觀(guān)察這些突觸變化在整個(gè)大腦中出現的位置。這種新的成像方法DELTA，為科學(xué)家們提供了一個(gè)全腦地圖，顯示個(gè)體突觸蛋白隨時(shí)間的變化。已知對突觸可塑性重要的蛋白質(zhì)會(huì )隨著(zhù)突觸連接的變化而降解或合成。因此，跟蹤學(xué)習過(guò)程中這些突觸蛋白的變化，讓科學(xué)家們能夠更好地理解突觸連接的變化。

這些信息使研究人員能夠集中關(guān)注對學(xué)習和記憶可能重要的大腦區域，并幫助揭示突觸變化背后的分子機制。

“確定哪些分子負責哪些變化的一個(gè)難點(diǎn)在于，很難知道變化發(fā)生的具體位置。我們缺乏有效的方法來(lái)了解大腦中變化具體發(fā)生在哪里，因此無(wú)法將注意力集中在最有趣的部分。”通訊作者Boaz Mohar說(shuō)。“現在，我們有了一種新的方式，可以觀(guān)察我們的操作如何在全腦層面影響電路，通過(guò)成像深入亞細胞結構。這有助于我們在行為與機制之間搭建橋梁。”

該方法的工作原理是，首先用明亮的賈內利亞熒光染料（JF）標記小鼠大腦中的一個(gè)突觸蛋白。為了研究學(xué)習過(guò)程中突觸連接的變化，研究人員使用已經(jīng)訓練過(guò)的老鼠，這些老鼠學(xué)會(huì )了將兩個(gè)不同的視覺(jué)線(xiàn)索與水獎勵關(guān)聯(lián)起來(lái)。

初步標記后，研究人員將小鼠分為兩組：一組在兩個(gè)線(xiàn)索中隨機獲得水，就像標記之前一樣；而另一組的任務(wù)被修改為僅與一個(gè)線(xiàn)索關(guān)聯(lián)水獎勵。幾天后，當研究人員看到兩組的行為明顯不同后，又對兩組小鼠進(jìn)行同一突觸蛋白的不同JF染料標記。

在這幾天中，部分原始標記的蛋白質(zhì)被降解而新的蛋白質(zhì)被合成，通過(guò)引入第二種染料標記。通過(guò)對整個(gè)大腦進(jìn)行成像，研究人員能夠觀(guān)察到兩個(gè)小組中突觸蛋白的變化，從而推測學(xué)習過(guò)程中突觸連接的變化發(fā)生的位置。

研究人員觀(guān)察到，學(xué)習修改后的任務(wù)使研究的突觸蛋白GluA2在特定大腦區域發(fā)生了變化。

研究人員還利用這一新方法，觀(guān)察生活在普通環(huán)境下的小鼠與生活在豐富環(huán)境中的小鼠（包含玩具和同伴）的蛋白質(zhì)周轉差異。在這種情況下，將小鼠放置于豐富環(huán)境中導致GluA2在整個(gè)大腦中發(fā)生廣泛變化。

通過(guò)使研究人員能夠觀(guān)察這些全腦變化，DELTA為科學(xué)家們的后續研究提供了起點(diǎn)，深入探討學(xué)習與記憶背后的細胞和分子機制。

在下一步中，研究人員正在努力為DELTA增加更多功能，以明確動(dòng)物在學(xué)習任務(wù)的過(guò)程中，蛋白質(zhì)變化的時(shí)間節點(diǎn)?，F在，研究團隊正與全球的科學(xué)家們合作，幫助他們在自己的研究中應用DELTA以追蹤突觸變化，這些合作是通過(guò)賈內利亞的訪(fǎng)問(wèn)科學(xué)家項目實(shí)現的。

“這是一個(gè)典型的賈內利亞項目，”實(shí)驗室負責人之一Nelson Spruston說(shuō)。“這一項目涉及了前所未有的工作，依賴(lài)于許多專(zhuān)家的合作，才能將這一切變?yōu)楝F實(shí)。”

雜志：Nature Neuroscience

DOI：10.1038/s41593-025-01923-4