北京時間2020年8月6日晚，奧地利科學與技術研究所 （IST, Austria）的科研團隊在《神經元》上發表論文，發現海馬齒狀回的神經元可以過濾並且放大空間信息。
計程車司機如何在錯綜複雜的大街小巷保持精準的方向感？這離不開大腦中一個很特別的腦區， 海馬—大腦的定位系統（GPS）。
為了更深入地了解這個腦區的功能，IST的研究人員通過深入研究小鼠大腦GPS系統裡單個神經元，發現海馬齒狀回的顆粒細胞 (granule cell) 可以過濾並放大其接收的空間信息。
海馬的主要功能是幫助我們在現實生活中導航，也因此而得名：大腦的GPS。海馬可分為齒狀回，CA3， CA2 和CA1四個區域。
海馬從上級神經元接收大量的信息，而這些信息只有一部分是與空間相關的，海馬需要篩選出與空間相關的有用信息並傳輸給下遊腦區。
因此海馬需要一個敬業的守門人。這個守門人的角色很可能由海馬齒狀回的顆粒細胞所承擔，因為這類細胞是海馬接收上遊信息的第一站。
如何確定顆粒細胞
IST研究人員Peter Jonas教授，張曉敏以及Alois Schloegl致力於研究顆粒細胞的電信號。但是，這個任務確實極具挑戰。
先前的很多研究表明，很多領域內的專家都不能百分之百確保他們記錄的電信號是來自顆粒細胞。
「因為齒狀回聚集了多種不同種類的神經元，而且他們是非常緊湊的聚集在一起，所以很難確保所記錄的電信號一定是來自顆粒細胞。」該文章的第一作者張曉敏說。
其次，顆粒細胞雖然數量龐大，但是卻是非常安靜。所以，所記錄的電信號很多時候會被其他比較活躍神經元幹擾。
海馬的守門人
首先，研究人員搭建了一套新穎的活體膜片鉗記錄系統，該技術能夠記錄到在小鼠探索一個新環境時，顆粒細胞所接收和輸出的電信號。
其次，他們結合監督機器學習開發出新的分析算法，用來解碼顆粒細胞所接收和輸出的電信號。
為了確保所記錄的電信號確實來自顆粒細胞，所記錄的細胞在記錄時被注入了生物標記物以方便實驗後對細胞類型進行鑑定。
該研究組一共記錄了近百個顆粒細胞，為該領域提供了此類數據迄今為止最大的資料庫。
他們發現，在小鼠探索新環境時，接近一半的顆粒細胞會接收到有關空間信息的信號，但是只有接近5%的顆粒細胞能成功地把接收的有關空間信息的信號傳輸到下級神經元。所以，顆粒細胞行使海馬守門人的功能。
空間信息的整合
然而，顆粒細胞不僅參與篩選信息，而且還參與對該信息進行加工及整合。該團隊還發現顆粒細胞所接收的空間信息是廣譜的，但是輸出的空間信息卻是非常有選擇性的。
海馬的上遊皮層是由網格細胞 （grid cell）組成，網格細胞在多個位置發放電信號，而海馬下遊的位置神經元 （place cell）通常只能在單一位置發放電信號。
該研究表明顆粒細胞參與從多個位置到單一位置的空間信息轉換。「通俗來說，顆粒細胞就如同翻譯機一樣，可以把外語翻譯成中文。」Peter Jonas教授解釋說。
為未來信息存儲計算能力
近一半的顆粒細胞會接收有關空間信息的信號，但只有5%左右的顆粒細胞能成功地把接收的相關空間信息的信號翻譯出來並傳遞給下遊神經元。
張曉敏說：「那些發育成熟的顆粒細胞更為活躍，而那些發育還沒有完全成熟的顆粒細胞則保持沉默。」
為什麼齒狀回會有這麼一個獨特的設計呢？為什麼大部分顆粒細胞不直接用來編碼當前的信息呢？
研究人員認為海馬是把大部分顆粒細胞預留下來，等到他們完全成熟後可以編輯將來的信息，從而可以避免相似信息的互相干擾。
這項研究再次提醒我們活體單細胞膜片鉗技術的潛力。「我們的研究不僅提供了大腦GPS工作的內在機制，並再次突出強調了單個神經元強大的計算能力。」Peter Jonas教授總結。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.07.006
來源：小柯生命