獲獎研究揭示大腦發育過程中複雜神經迴路的精確連接機制

[jlee42]

發育中的大腦中，一根軸突面臨著巨大挑戰：需在數十億神經元中精準找到唯一匹配的夥伴。 人類大腦約含100萬億個突觸，每個突觸都是神經元在難以想像的複雜網路中成功定位精確匹配的結果。 發育中的大腦如何實現如此精妙的精準度？ 一旦失敗又將如何？
這一問題正是神經科學家呂成（Cheng Lyu）獲獎研究的核心，他因此榮獲2025年艾本德-科學神經生物學獎。 呂成發表於10月30日《科學》雜誌的獲獎論文聚焦大腦發育過程中複雜神經迴路的組裝機制，揭示了自然界如何通過"降維策略"簡化這項看似不可能的任務——該策略大幅縮小了連接神經元的搜索範圍。
他的發現為理解大腦自我構建機制、錯誤連接如何導致疾病，以及進化如
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在某些神經組織中（如脊椎動物的分層視網膜），連接神經元通過分步流程簡化搜索：先定位正確層級，再在該層級內找到匹配夥伴。 但此類簡化並非普遍適用。 其他神經系統（如果蠅嗅覺網路）的組裝更為複雜：約50種感覺神經元各自一對一連接50種夥伴神經元，在三維空間中形成完美匹配的迴路。
即時追蹤這些連接的形成極具挑戰。 大腦發育過程中，神經元快速改變基因表達，使標準遺傳工具難以追蹤。 為克服此障礙，呂成及其團隊開發了新框架，可在果蠅大腦發育全程持續標記並追蹤單個神經元。
利用這些工具，研究人員發現果蠅複雜的三維配線在發育期會臨時簡化。 最關鍵的神經元配對階段發生在一個臨時二維表面：此期間，感覺神經元軸突沿組織表面生長，而夥伴神經元的分支向外延伸與之對接——即使這些夥伴最終將遷移至大腦更深層。
更關鍵的是，呂成團隊發現每種感覺神經元類型均遵循基因預設的表面路徑，精確交匯於目標夥伴的分支處，這進一步大幅縮小神經元搜索範圍。 當實驗中人為改變軸突路徑時，夥伴神經元無法正確連接，凸顯了這些生長軌跡在正常發育中的重要性。
但神經元如何從多個鄰近候選者中識別特定夥伴？ 通過單細胞RNA測序和基因篩選，研究人員鑒定出介導神經元類型間吸引與排斥的關鍵表面蛋白。 僅調控其中五種蛋白的組合，他們就成功重連神經元使其與新夥伴建
 
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這種改變不僅影響結構，更改變了行為。 成像顯示，重連后的神經元開始回應原本抑制雄性間求偶行為的果蠅資訊素; 而在這些果蠅中，該資訊素卻產生相反效果：雄性求偶行為顯著增強。
呂成的研究揭示，相對有限的分子工具包決定了大腦中神經元的連接對象，調整這些連接既能重程式設計神經連接，也能改寫其所控制的行為。 艾本德集團企業公民與政府事務副總裁阿克塞爾·亞恩斯表示："艾本德與《科學》雜誌自2002年設立該獎項以來，持續表彰神經生物學領域的傑出貢獻，祝賀本屆獲獎者及入圍者。 "