来源：brainnews

小柯生命 报道

北京时间2020年8月6日晚，奥地利科学与技术研究所 （IST, Austria）的科研团队在《神经元》上发表论文，发现海马齿状回的神经元可以过滤并且放大空间信息。 

出租车司机如何在错综复杂的大街小巷保持精准的方向感？这离不开大脑中一个很特别的脑区， 海马—大脑的定位系统（GPS）。 

为了更深入地了解这个脑区的功能，IST的研究人员通过深入研究小鼠大脑GPS系统里单个神经元，发现海马齿状回的颗粒细胞 (granule cell) 可以过滤并放大其接收的空间信息。

海马的主要功能是帮助我们在现实生活中导航，也因此而得名：大脑的GPS。海马可分为齿状回，CA3， CA2 和CA1四个区域。

海马从上级神经元接收大量的信息，而这些信息只有一部分是与空间相关的，海马需要筛选出与空间相关的有用信息并传输给下游脑区。

因此海马需要一个敬业的守门人。这个守门人的角色很可能由海马齿状回的颗粒细胞所承担，因为这类细胞是海马接收上游信息的第一站。

如何确定颗粒细胞

IST研究人员Peter Jonas教授，张晓敏以及Alois Schloegl致力于研究颗粒细胞的电信号。但是，这个任务确实极具挑战。

先前的很多研究表明，很多领域内的专家都不能百分之百确保他们记录的电信号是来自颗粒细胞。

“因为齿状回聚集了多种不同种类的神经元，而且他们是非常紧凑的聚集在一起，所以很难确保所记录的电信号一定是来自颗粒细胞。”该文章的第一作者张晓敏说。

其次，颗粒细胞虽然数量庞大，但是却是非常安静。所以，所记录的电信号很多时候会被其他比较活跃神经元干扰。

海马的守门人

首先，研究人员搭建了一套新颖的活体膜片钳记录系统，该技术能够记录到在小鼠探索一个新环境时，颗粒细胞所接收和输出的电信号。

其次，他们结合监督机器学习开发出新的分析算法，用来解码颗粒细胞所接收和输出的电信号。

为了确保所记录的电信号确实来自颗粒细胞，所记录的细胞在记录时被注入了生物标记物以方便实验后对细胞类型进行鉴定。

该研究组一共记录了近百个颗粒细胞，为该领域提供了此类数据迄今为止最大的数据库。

他们发现，在小鼠探索新环境时，接近一半的颗粒细胞会接收到有关空间信息的信号，但是只有接近5%的颗粒细胞能成功地把接收的有关空间信息的信号传输到下级神经元。所以，颗粒细胞行使海马守门人的功能。    

空间信息的整合

然而，颗粒细胞不仅参与筛选信息，而且还参与对该信息进行加工及整合。该团队还发现颗粒细胞所接收的空间信息是广谱的，但是输出的空间信息却是非常有选择性的。

海马的上游皮层是由网格细胞 （grid cell）组成，网格细胞在多个位置发放电信号，而海马下游的位置神经元 （place cell）通常只能在单一位置发放电信号。

该研究表明颗粒细胞参与从多个位置到单一位置的空间信息转换。“通俗来说，颗粒细胞就如同翻译机一样，可以把外语翻译成中文。”Peter Jonas教授解释说。 

为未来信息存储计算能力

近一半的颗粒细胞会接收有关空间信息的信号，但只有5%左右的颗粒细胞能成功地把接收的相关空间信息的信号翻译出来并传递给下游神经元。

张晓敏说：“那些发育成熟的颗粒细胞更为活跃，而那些发育还没有完全成熟的颗粒细胞则保持沉默。”

为什么齿状回会有这么一个独特的设计呢？为什么大部分颗粒细胞不直接用来编码当前的信息呢？

研究人员认为海马是把大部分颗粒细胞预留下来，等到他们完全成熟后可以编辑将来的信息，从而可以避免相似信息的互相干扰。

这项研究再次提醒我们活体单细胞膜片钳技术的潜力。“我们的研究不仅提供了大脑GPS工作的内在机制，并再次突出强调了单个神经元强大的计算能力。”Peter Jonas教授总结。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.07.006

原文编辑 | 余   荷

原文排版 | 王大雪

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