记忆与学习被认为源于大脑中神经元连接方式及信号传递效率的改变。德国神经退行性疾病中心（DZNE）的研究人员近日首次在活体大脑中直接观测到一种与这一过程密切相关的细胞机制。该研究揭示，神经元产生电信号的关键结构——轴突起始段（axon initial segment, AIS），在学习过程中会发生动态结构变化。这一现象此前仅在细胞培养体系或离体脑组织中被发现。
相关研究由神经科学家 Jan Gründemann 领衔，联合来自瑞士、意大利和奥地利的研究团队完成，研究成果发表在《Nature Neuroscience》期刊上。研究为理解大脑可塑性提供了新的细胞层面证据。下一步，研究团队计划探索该机制在阿尔茨海默病中的作用。
神经网络并非静态结构
在大脑中，神经元通过树突和轴突彼此连接，形成高度复杂的网络，并通过电信号进行信息传递。这种网络结构构成了大脑的“硬件基础”，对学习与记忆形成至关重要。大量研究表明，神经元之间的连接强度和信号传递方式并非固定不变，而是会随经验和环境变化而发生调整，这种能力被称为神经可塑性（neuroplasticity）。
长期以来，神经可塑性的研究主要集中在**突触（synapse）**层面，即神经元之间信息传递接口的结构和功能变化。然而，神经元是否“发放”信号以及发放强度如何，首先取决于另一个关键部位——轴突起始段。
轴突起始段：神经信号的“起搏器”
轴突起始段位于神经元胞体与轴突之间，富含特定类型的离子通道，是动作电位（action potential）产生的起始位置，被视为神经元的“脉冲发生器”。
Gründemann 团队利用先进的显微成像技术，在活体小鼠大脑中连续多日追踪单个神经元的轴突起始段变化。“这是首次在活体大脑、并且是在学习过程中，直接观察轴突起始段的结构变化，”Gründemann 表示，“此前相关测量几乎全部来自体外实验。”
研究人员重点观察了大脑皮层中一个已知与学习相关的区域。在行为实验中，小鼠通过训练学习在不同情境下作出反应。研究团队在训练前后反复定位同一批神经元，记录其轴突起始段的形态变化。
学习过程中，轴突起始段可变长或缩短
结果显示，部分神经元的轴突起始段在学习后明显变长，而另一些则缩短。“轴突起始段的长度直接影响神经元的兴奋性，”Gründemann 解释道，“较长的起始段通常意味着更强的神经信号输出，而较短的则相反。”
研究人员尚未完全明确为何不同神经元会朝相反方向调整结构，但推测这一机制可能用于精细调控神经网络整体活动水平，从而维持功能平衡。
与突触可塑性并行的“主开关”
突触长期被认为是学习和记忆的核心可塑性位点，而本研究表明，轴突起始段同样具有可塑性，并在调控神经信号输出方面发挥关键作用。
“突触决定信号如何在神经元之间传递，而轴突起始段决定神经元是否放电、以及输出有多强，”Gründemann指出，“从这个意义上说，轴突起始段更像一个‘主开关（master switch）’。突触和轴突起始段都是神经可塑性的关键节点，二者共同参与记忆形成。”
研究人员认为，尽管本研究仅分析了大脑特定区域，但类似的轴突起始段动态变化，可能是大脑学习过程中普遍存在的基本机制。
指向阿尔茨海默病的新研究方向
在此基础上，研究团队计划进一步探索该机制在神经退行性疾病中的意义。Gründemann 指出，在阿尔茨海默病中，神经元之间的信号传递严重受损，而该疾病的典型特征之一是异常蛋白沉积。
“我们希望了解这些蛋白沉积是否、以及如何影响轴突起始段的结构和功能，”他说，“通过在具有阿尔茨海默病样病理特征的小鼠模型中开展研究，或可加深对疾病发生机制的理解，并为未来治疗策略提供新的切入点。”
该研究为神经可塑性提供了新的细胞学视角，也拓展了人们对学习、记忆以及神经退行性疾病机制的认知边界。
参考文献：Axon initial segment dynamics during associative fear learning, Nature Neuroscience (2025). DOI: 10.1038/s41593-025-02152-5
编辑：周敏
排版：李丽
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