一项新发现的发育过程揭示大脑的主要记忆中枢在发育初期会形成过多缠结的随机连接随着动物成长这些连接会被修剪形成一个高度结构化、高效的网络。这些物理和功能上的变化优化了大脑在一生中存储和提取记忆的能力。2026年《Nature Communications》上发表了题为“Developmental emergence of sparse and structured synaptic connectivity in the hippocampal CA3 memory circuit”的研究。该研究首次通过多细胞膜片钳记录技术系统揭示了小鼠海马CA3自联想记忆网络在出生后发育过程中的连接性转变。研究者对出生后早期P7-8、青少年期P18-25和成年期P45-50小鼠的CA3锥体神经元进行了共计7736对连接测试。结果发现CA3-CA3的突触连接概率从早期的约6.4%显著下降至成年期的约2.2%支持“修剪模型”而非“白板模型”。伴随连接稀疏化轴突总长度和分支点显著减少而树突长度和树突棘密度持续增加显示修剪主要发生在轴突侧。在功能上早期单个突触的兴奋性突触后电位EPSP幅度可达约2.4 mV单个突触输入足以在串联刺激下引发突触后放电近引爆效应而成年期EPSP幅度降至约0.9 mV需要约25个同步输入的空间总和才能达到放电阈值。此外非随机的连接基序如相互、汇聚、发散和链式连接仅在成年网络中显著富集且轴突分布从早期的高度均一、刻板转变为后期的斑块状、可变分布。计算模型表明从密集、局部、强突触网络转变为稀疏、广泛、弱突触网络可显著提升记忆存储容量和模式完成效率。该研究揭示了海马CA3网络通过发育性修剪和突触效能下调实现从“满板”到“优化板”的转变为理解婴儿期遗忘和认知发育提供了新视角。海马体是大脑深处一个海马形状的区域负责记忆形成和空间导航。该区域内有一个称为CA3网络的特殊回路。这个区域就像一个自联想记忆系统意味着它能够仅凭一小段信息片段就帮助大脑回忆起完整的记忆。例如该网络能让人仅凭一种香料的气味就想起整个童年时的厨房。为了实现这一壮举该区域的神经细胞通过称为突触的电化学连接点进行交流。大脑的可塑性使得这些连接随着动物学习新事物而随时间增强或减弱。虽然研究人员了解该网络在成年大脑中的运作方式但其出生后的物理成形过程一直不清楚。研究人员希望了解这个重要记忆网络是如何发育的。两种相互竞争的哲学和生物学模型构成了他们的研究框架。第一种模型是“白板”理论。该理论认为大脑开始时连接非常少随着动物体验世界而缓慢建立连接。CA3锥体神经元之间连接概率的发育性下降相反的模型是“满板”理论。在这一情境中大脑开始时连接过剩然后逐渐被修剪只留下最必要的通路。一位神经科学家领导了这项研究以找出哪种模型正确描述了发育中的海马体。该研究人员与研究所另一位教授合作绘制了小鼠大脑的回路图。为了追踪这一脑区的线路研究团队检查了三个不同发育阶段的小鼠大脑出生后不久、青春期和成年期。他们研究了一种称为多细胞膜片钳记录的高级记录技术。这种方法使他们能够同时监测多达八个独立神经细胞的微小电信号。通过刺激一个细胞并监听其他细胞的反应团队可以精确绘制出哪些神经元在相互通信。为了实际看到这些连接他们用一种特殊的染料填充细胞。这使得研究人员能够使用高分辨率显微镜重建神经细胞的三维模型。他们总共测试了超过7000个潜在的神经元连接。通过这一映射过程研究人员观察到细胞连接方式发生了巨大变化。在幼年小鼠中神经细胞密布着看似随机形成的连接。随着小鼠长成成年连接总数下降。网络从高度局部化、密集的状态转变为稀疏、广泛分布且高度结构化的状态。研究人员表示“这一发现相当令人惊讶。直观上人们可能会认为网络会随着时间增长而变得更密集。但在这里我们看到了相反的情况。它遵循我们所说的修剪模型开始时是满的然后变得精简和优化。”神经元的物理形态也以意想不到的方式发生了变化。神经细胞有两种主要分支发送信号的轴突和接收信号的树突。团队发现随着动物年龄增长发送信号的轴突实际上变得更短、更不复杂。相比之下接收信号的树突持续生长并发育出更多的受体位点。这意味着修剪过程是高度单向的主要影响神经细胞的输出通信线缆。在成年小鼠中剩余的轴突连接聚集在特定的、专门的斑块中而不是均匀分布。除了物理线路之外团队还发现细胞传递电信号的方式发生了重大转变。在未成熟的大脑中细胞之间的单个连接异常强大。来自一个神经元的单一信号通常足以使接收细胞发射自己的电脉冲。研究人员称之为近引爆效应。突触连接性和效率的发育性转变优化了CA3网络模型中的记忆容量在成年小鼠中这些单独的连接变得弱得多。单个传入信号不再足以触发接收细胞的反应。相反成年神经细胞需要来自多个不同邻居的同时信号才能达到放电阈值。这种转变意味着成熟的大脑依赖于同时整合多条信息而不是对单一输入做出强烈反应。大脑从一个依赖时序的系统转变为一个检测空间重合的系统。为了了解这些物理变化如何影响记忆研究人员构建了一个包含十万个神经元的网络计算机模拟。在计算机模拟中他们测试了不同类型的连接性如何影响网络回忆存储模式的能力。结果表明从密集、高反应性的网络转变为稀疏、较弱但更广泛的网络实际上最大化了系统的记忆存储容量。一个由较弱连接组成的专门化网络在信息提取方面被证明更加高效。研究人员推测从大量缠结的连接开始使得神经元能够在早期发育中快速连接。这个脑区不仅仅孤立地存储视觉、嗅觉或声音信息。它将所有这些感觉输入整合成一个连贯的记忆。研究人员解释说“这对神经元来说是一项复杂的任务。最初过度的连接性随后进行选择性修剪可能正是实现这种整合所必需的。”如果没有这个密集的起点神经元之间的距离会太远而无法相互找到使得通信几乎不可能。虽然这些结果提供了对大脑成熟的新理解但该研究存在一些局限性。研究人员是在薄薄的大脑切片上进行映射的。由于只观察了特定的切片他们无法观察到贯穿整个大脑的长距离连接。驱动轴突物理修剪的确切生物学机制也尚未确定。未来的研究将需要探索是什么触发了这种选择性修剪过程。科学家怀疑大脑中的特殊免疫细胞可能充当了剪除多余连接的生物剪刀。在青春期发育的特定类型的抑制性神经细胞也可能在这种物理重塑中发挥作用。研究人员还希望使用活体成像技术观察活体动物中单个突触随时间的出现和消失。这种活体成像可以揭示成年大脑中看到的结构化模式是由遗传预先编程的还是由动物的日常生活经历塑造的。目前尚不清楚大脑如何知道哪些连接该保留哪些该剪除。这些发现也可能揭示人类的发育。人类的情景记忆发展相对较晚大约在出生后两年左右。这一发育里程碑大致与本研究中青春期小鼠的时间线相符。这一时间线可能有助于解释婴儿期遗忘即成年人无法回忆生命最初几年事件的现象。记忆可能形成于早期密集的网络中但一旦大脑修剪了连接它们就无法被访问了。未来需要对人类大脑进行进一步研究以确认我们自己的记忆是否遵循完全相同的发育路径。解读脑海科技参考文献Vargas-Barroso, V., Watson, J. F., Navas-Olive, A., Schlögl, A., Jonas, P. (2026). Developmental emergence of sparse and structured synaptic connectivity in the hippocampal CA3 memory circuit. Nature communications, 10.1038/s41467-026-71914-x. Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41467-026-71914-x