婴儿所看到的双眼视觉变得精致。为了了解这种情况如何发生的潜在机制，麻省理工学院的研究人员与小鼠合作，研究神经连接在视觉发育的关键时期是如何变化的。

科学家们早就知道，大脑的视觉系统并不是从一开始就完全硬连线的——它通过婴儿看到的东西而变得精致——但麻省理工学院一项新研究的作者仍然没有为他们观察到的重新布线程度做好准备，当他们第一次观察小鼠实时发生的过程时。

当 Picower 学习与记忆研究所的研究人员在 10 天内追踪视觉皮层神经元树突分支上的数百个“脊柱”结构时，他们发现启动该过程的那些结构中只有 40% 存活了下来。改进双眼视觉（整合来自双眼的输入）需要沿着树突多次添加和移除棘，以建立一组最终的连接。

前研究生 Katya Tsimring 领导了这项研究，该研究本月发表在《自然通讯》上，该团队表示，这是科学家们在双眼视觉变得完善的“关键期”一直跟踪相同联系的第一次研究。

“Katya 能够做的是在同一只活体小鼠的 10 天内重复成像同一神经元上的相同树突，以询问它们上的突触或棘会发生什么变化？”资深作者、Picower 研究所和麻省理工学院大脑与认知科学系的 Paul 和 Lilah Newton 教授 Mriganka Sur 说。“我们对变化之大感到惊讶。”

在实验中，年轻的小鼠观察具有特定方向和运动方向的黑白格栅在它们的视野中漂移。同时，科学家们观察了神经元主体（或“胞体”）和沿树突的棘的结构和活动。通过在关键期的第 1 天、第 5 天和第 10 天跟踪 14 个神经元上 793 个树突棘的结构，他们可以量化棘的添加和丢失，从而量化它们所容纳的突触连接。通过同时跟踪它们的活动，他们可以量化神经元在每个突触连接处接收到的视觉信息。例如，脊柱可能会对一个特定的方向或格栅方向、多个方向做出反应，或者可能根本没有反应。最后，通过将脊柱在关键期的结构变化与其活动联系起来，他们试图揭示突触周转改善双眼视觉的过程。

从结构上讲，研究人员发现第 1 天明显的刺中有 32% 在第 5 天消失，而第 5 天明显的刺中有 24% 是从第 1 天开始添加的。第 5 天和第 10 天之间的期间显示出类似的人员流动率：27% 被淘汰，但 24% 被增加。总体而言，第 1 天看到的棘中只有 40% 在第 10 天仍然存在。

与此同时，他们追踪的 13 个对视觉刺激有反应的神经元中，只有 4 个在第 10 天仍然有反应。科学家们不确定为什么其他 9 个细胞停止反应，至少对它们曾经反应的刺激停止反应，但它们现在可能发挥了不同的功能。

在看到了这种广泛的布线和重新布线后，科学家们接着问，是什么让一些刺能够在 10 天的关键期内存活下来。

Sur 说，以前的研究表明，到达双眼视觉皮层神经元的第一个输入来自头部另一侧的“对侧”眼睛（因此在左半球，右眼的输入首先到达那里）。这些输入驱动神经元的胞体响应特定的视觉特性，例如线条的方向——例如，45 度对角线。到关键期开始时，来自头部同一侧的“同侧”眼睛的输入开始加入与视觉皮层神经元的竞争，使一些神经元能够变成双眼神经元。

Sur 说，许多视觉皮层神经元都被调整到视野中不同方向的线条，这绝非偶然。

“世界由定向线段组成，”Sur 指出。“它们可能是长线段;它们可能是短线段。但世界不仅仅是边界朦胧的无定形球体。世界上的物体——树木、地面、地平线、草叶、桌子、椅子——都以小线段为界。

因为研究人员正在跟踪脊柱的活动，所以他们可以看到它们活动的频率以及触发该活动的方向。随着数据的积累，他们发现如果 （a） 棘更活跃，并且 （b） 它们对与胞体喜欢的方向相同的方向做出反应，则棘更有可能持久。值得注意的是，对两只眼睛都有反应的棘比只对一只眼睛有反应的棘更活跃，这意味着双眼棘比非双眼棘更有可能存活下来。

“这一观察结果为'要么使用它，要么失去它'的假设提供了令人信服的证据，”Tsimring 说。“脊柱越活跃，它在发育过程中被保留的可能性就越大。”

研究人员还注意到了另一个趋势。在 10 天内，沿着树突出现簇，其中相邻的棘越来越有可能同时活跃。其他研究表明，通过聚集在一起，脊柱能够将它们的活动结合起来，使其活动比单独活动时更大。

根据这些规则，在关键时期，神经元显然通过选择性地保留输入来改进它们在双眼视觉中的作用，这些输入通过它们的活动量（一种称为“赫布可塑性”的突触特性）和它们与邻居的相关性（一种称为“异质突触可塑性”的特性）来增强它们萌芽的方向偏好。为了确认这些规则足以产生他们在显微镜下看到的结果，他们构建了一个神经元的计算机模型，该模型确实概括了他们在小鼠身上看到的相同趋势。

“在关键时期，这两种机制都是必要的，以驱动与胞体和相邻脊柱对错位的脊柱的更新，”研究人员写道，“这最终导致 反应的精细化，例如两只眼睛之间的方向匹配。