Neuron：海马的守门人——齿状回颗粒细胞

来源：BioArt

上海的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）【1】。海马齿状回的颗粒细胞（granule cell）作为海马区接受信息的第一站，他们接收来自大脑皮层的大量信息，而这些信息只有一部分是与空间相关的，因此他们需要筛选出与空间相关的有用信息并传输给下游脑区【2,3】。那么海马齿状回的颗粒细胞是如何执行一个严厉守门人的角色的呢？

2020年8月6日，奥地利科学与技术研究所（IST, Austria）Peter Jonas团队（第一作者为张晓敏博士）在Neuron杂志上发表文章Selective Routing of Spatial Information Flow from Input to Output in Hippocampal Granule Cells，发现了海马齿状回的颗粒细胞可以过滤并且放大空间信息。

为了深入探讨海马齿状回的颗粒细胞如何整合空间信息，首先，该课题的研究人员搭建了一套新颖的活体膜片钳记录系统，该技术能够在小鼠探索一个新环境时记录到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。

运用监督机器学习开发的算法结合严谨的统计学分析表明，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该信号传输到下级神经元。所以，颗粒细胞确实严格行使海马守门人的功能。

其次，Fourier 分析结果表明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通常只能在单一位置发放电信号【4】。该结果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。               

最后，该研究还进一步解释了为什么只有极少数的颗粒细胞能成功地把接收的空间信息的信号翻译出来并传递给下游神经元。他们发现那些发育相对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。此独特的设计则可以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。

该研究不仅揭示了大脑定位系统工作的内在机制，并再次突出强调了单个神经元强大的计算能力。