功能正常的神经回路依赖于神经元与其适当的突触伴侣的精确连接。最初，这些连接是不精确的，神经元与多个不同的潜在伙伴建立联系。通过一种称为突触修剪的过程，这些连接变得更加精确，该过程消除了不必要的突触。体内成像在理解神经活动如何驱动透明斑马鱼（Danio rerio）和非裔非洲爪蟾（Xenopus lavis）中突触修剪过程方面发挥了重要作用。在本期《科学》第727页，Matsumoto等人（1）报告了在哺乳动物大脑中，特别是在小鼠上丘脑中，活体内可视化这一过程，上丘脑在视觉信息处理中扮演着核心角色。

Naoyuki Matsumoto et al. ,Hebbian instruction of axonal connectivity by endogenous correlated spontaneous activity.Science385,eadh7814(2024).

哺乳动物中脑中的视网膜神经元到上丘脑的投射形成了一个精确的视网膜拓扑图——这是一种在发育过程中通过依赖和不依赖活动的机制形成的组织。在成年期，视网膜拓扑结构确保视野中的相邻点激活视网膜的相邻输出细胞，称为视网膜谷氨酸能神经元，这些细胞反过来激活上丘脑（或其非哺乳动物对应物，视顶盖）中的相邻细胞。最近的活体实验表明，视网膜谷氨酸能神经元树突（投射轴突末端的树状结构）的视网膜拓扑精度相当高，且比上丘脑神经元本身更精确（2）。最初，视网膜轴突由某些引导线索的梯度表达引导，独立于神经活动（3）。随后，活动提供了线索来细化这些视网膜-上丘脑连接以提高地图的精度。活动如何在细胞和亚细胞水平上塑造突触修剪和神经回路的精细化仍然是一个突出的问题。

神经生物学的一个经典原则是感觉经验可以影响神经连接——这一理论被称为Hebb定律，以加拿大心理学家Donald Hebb的名字命名。1949年，Hebb假设“当细胞A的轴突足够接近以激发细胞B，并且反复或持续参与其激发时，其中一个或两个细胞中会发生某种生长过程或代谢变化，使得A作为激发B的细胞之一的效率增加”[(4), p. 62]。虽然最初旨在解释大脑中学习背后的改变，但这一假设已被发育神经科学家接受，用以描述通过修剪过程实现的神经连接成熟，常被概括为“共同激发的细胞，共同连接”。最近，这一假设已扩展到包括Stentian可塑性，其中异步激发导致突触丧失（5, 6），这是活动依赖性突触修剪的另一个关键组成部分。

对活动依赖性修剪背后机制的见解来自于对较低脊椎动物模型中视网膜-顶盖投射的显著活体成像实验，如透明斑马鱼和非洲爪蟾蝌蚪（7）。在这些研究中，用荧光标记物标记单个视网膜谷氨酸能神经元，并随时间跟踪以评估活动依赖性操作如何影响轴突形态，这反过来又受到突触稳定和精细化的影响。斑马鱼中的一项经典结果表明活动依赖性竞争的作用：实验性地使单个视网膜谷氨酸能神经元沉默，而其邻近细胞保持活跃，导致树突长度减少，而使所有视网膜谷氨酸能神经元沉默则使树突恢复到正常大小（8）。同样，在非洲爪蟾视顶盖中的活体成像显示，视网膜谷氨酸能神经元的同步激活导致更稳定的轴突分支，而异步激活导致稳定性降低和更动态的分支（5, 9）。此外，分支稳定依赖于通过N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体的谷氨酸受体信号传导，表明需要相关的突触前和突触后激发，这与Hebbian和Stentian模型的突触稳定一致（10）。

与青蛙和鱼类不同，哺乳动物视网膜到上丘脑的投影的活动依赖性精细化大部分发生在视觉开始之前。在这一发展阶段，称为视网膜波的自发去极化爆发在整个视网膜上传播，引起附近细胞的同步激活和远处细胞的异步激活，类似于青蛙和鱼类的视觉体验（11）。实际上，视网膜波的中断导致了视网膜投影到上丘脑的视网膜拓扑精细化缺失（12, 13）。然而，对于哺乳动物中活动依赖性修剪背后机制的见解有限，因为这些发现主要基于在不同发育阶段对固定组织中轴突投射的可视化。

为了应对这一挑战，Matsumoto等人开发了一种活体内多成像方法，使他们能够同时测量新生小鼠清醒状态下上丘脑中轴突形态和活动超过2小时。他们精巧的技术结合了单个轴突的时间推移成像与双色荧光成像，同时显示单个轴突活动和周围轴突群或突触后神经元的活动模式。作者的一些发现与Hebbian和Stentian模型的突触精细化一致。

哺乳动物大脑中的轴突重塑

小鼠上丘脑中的轴突重塑是由传播的自发活动波（视网膜波）介导的。视网膜谷氨酸能神经元轴突树突的局部重新排列由活动同步化的程度决定：在同步活动水平高（深紫色）和谷氨酸释放水平高（橙色圆圈）的轴突树突中心区域，轴突分支被稳定并优先添加，而在具有异步活动（浅紫色）的树突远端部分，轴突分支不稳定并被消除。

松本等人观察到同步活动与树突密度之间存在强烈的相关性：当视网膜波通过轴突树突的中心传播时，单个视网膜谷氨酸能神经元轴突的活动同步化程度更高，而当波在树突的远端部分传播时同步化程度较低。在这些具有高同步活动水平的中心区域添加了轴突分支，但在异步活动的区域优先消除了这些分支。在单个视网膜谷氨酸能神经元轴突中缺少烟碱型乙酰胆碱受体的b2亚单位，这会将视网膜谷氨酸能神经元活动从视网膜波中解耦，减少了在中心区域添加分支的倾向。

松本等人还观察到视网膜谷氨酸能神经元树突形态与视网膜波的局部传播模式相关。例如，发育中大脑中线的轴突树突沿嘴尾轴延长，这与该区域由视网膜波不对称激活有关。使用一种具有更对称波传播模式的小鼠模型，松本等人观察到视网膜谷氨酸能神经元树突的不对称性相应减少。

荧光谷氨酸传感器揭示了与高谷氨酸释放相关的稳定分支添加区域。在NMDA受体拮抗剂存在下，这种分支添加的偏向性减少。这一发现证实了树突化过程需要相关的突触前和突触后激发。综合这三项结果，提供了令人信服的证据，表明自发性神经活动的模式指导了功能性大脑回路的精细调整。

确定将相关的突触前和突触后激发转化为突触前轴突重组的信号传递机制仍然是一个悬而未决的问题。一个有趣的可能是调节神经营养因子的释放，如脑源性神经营养因子（BDNF）（14），它们已被涉及在非洲爪蟾视顶盖中的视网膜谷氨酸能神经元轴突的谷氨酸受体介导的精细化（15）。未来的实验将需要确定使神经元活动对哺乳动物大脑中视网膜谷氨酸能神经元轴突生长动力学产生如此强大和精确影响的分子机制。