作者背景与核心研究领域 - 作者György Buzsáki是纽约大学医学院Biggs神经科学教授、美国科学院院士，主要研究兴趣是“神经语法”，即神经元节律如何组织分离的神经信息以支持认知功能 [1] - 他是神经振荡领域的奠基人之一，阐明了海马θ波、伽马振荡和尖波涟漪的细胞学基础及其与行为、睡眠的联系，并率先证明了GABA能中间神经元在网络振荡中的作用 [1] - 其最具影响力的研究是“记忆痕迹巩固的双阶段模型”，揭示了学习时经新皮层调控的信息短暂改变海马网络，后在睡眠期的尖波-涟漪活动中被重新激活并巩固 [1] - 他还发现皮层回路会持续自发生成自组织的细胞集合序列，为认知的神经元集合理论提供佐证，并证明偏态放电率分布有助于神经网络保持鲁棒性、敏感度、可塑性和稳定性 [1] - 在技术创新方面，他做出了开创性贡献，如利用硅芯片进行大规模记录的方法，以及可用于动物及病患的有机柔性电极系统NeuroGrid [1] 前馈抑制的发现与确立 - 1980年圣诞节前夜，作者在麻醉大鼠实验中发现了四个推测性中间神经元，它们在锥体细胞群体放电前2-3毫秒抢先放电，为前馈抑制提供了初步证据 [7] - 后续研究发现这些中间神经元与θ波同步节律性放电，由于突触传递更强或膜充电速度更快，它们会率先放电，从而抑制或延迟所支配的锥体神经元放电，明确支持了前馈抑制的存在 [8][9] - 研究还发现，通过联合纤维刺激激活中间神经元会削弱内嗅皮层输入诱发的反应，表明海马体CA3和内嗅皮层的传入信号在调控CA1锥体细胞上存在竞争 [11] - 对内嗅输入进行高频刺激后，中间神经元对后续单脉冲的放电概率显著增加并可持续数小时，这首次证明了抑制的长期增强 [12] - 在与Eduardo Eidelberg共同发表的论文中总结道：海马体中的中间神经元可被各种传入输入直接驱动，椎体神经元可能以前馈方式被抑制，其兴奋性取决于中间神经元和椎体神经元所接收输入强度的相对比例 [12] - 在作者关于前馈抑制的论文发表不到一年后，Roger Nicoll团队在海马切片实验中报告，顺向刺激在CA1锥体细胞中诱发的抑制性突触后电位振幅比逆向刺激更大，这为前馈抑制提供了又一有力支持 [24] - 随着免疫细胞化学技术的发展，前馈抑制的解剖学证据得到有力证实，使其成为神经科学的标准术语 [25] - 2020年，作者因在20世纪80年代初提出前馈抑制这一概念而荣获Ralph Gerard奖，该概念现已被广泛认可为神经回路的重要特性 [26] 抑制功能的演进与中间神经元研究的成熟 - 在几十年的时间里，神经科学家普遍认为抑制作用仅具有“广义的抑制功能”，用来限制运动神经元的过度放电，这种假设性的抑制来源被归因于Renshaw细胞 [27] - John Eccles爵士的团队通过细胞内记录发现了显著的超极化，将现象归因于回返性抑制或“Renshaw抑制” [29] - 作者认为前馈抑制能更好地解释全局现象，但在大多数研究人员尤其是心理学家的观念中，当时只认可一种抑制功能存在 [31] - 在反馈抑制之外引入前馈抑制，引发了关于不同类型抑制性神经元是否具有其他功能的讨论，早在1983年，Ribak团队就已探讨过“五种类型的篮细胞” [32] - 1990年，作者与巴黎的Richard Miles、苏黎世的Helmut Haas和布达佩斯的Tamás Freund合作，共同提交了一份关于海马体中间神经元的研究提案，并获得了“人类前沿科学计划”三年的资助 [33] - 1995年，作者与Tamás Freund在圣迭戈的SFN年会附属活动中共同组织了第一届中间神经元会议 [33] - 随后，作者与Tamás Freund撰写的关于中间神经元解剖学和生理学的长篇专题文章在《Hippocampus》期刊整期发表，该专题文章成为了被广泛引用的经典文献，标志着中间神经元研究进入成熟期 [34] - 在专题文章中，他们探讨了中间神经元的多种功能，包括调控兴奋性活动、精确控制尖峰时序、支持神经振荡等 [35] - 由于所有神经振荡都以抑制为基础，对锥体细胞活动的抑制性分割可以创建时间框架，用于将尖峰活动解析和分块为细胞集合及其序列，从而在神经网络之间实现神经信息的有效交换 [35] - 抑制的解析和分块功能就像一套“语法规则”，决定了神经元群如何组合以及它们在时间上的激活顺序，使得信息传递变得有序并形成层次结构 [36] - 他们的综述得出结论：不同的海马中间神经元群体可以通过表达不同组合的递质受体，实现对兴奋性活动的高度灵活控制，以匹配不同行为状态的计算需求 [36] 伽马振荡的命名起源 - 关于伽马振荡术语的起源，作者询问了Walter Freeman，Freeman回复称是他在1980年创造了这个术语，以替代当时流行的“40Hz”说法 [37] - “40Hz”振荡最早被视为某种“认知节律”的可能性，或许起源于Henri Gastaut对训练有素的瑜伽士在三摩地状态下头皮脑电图中出现的高振幅、40Hz节律性波列的观察 [37] - 作者实验室的研究生Steve Bressler进行文献搜索后，发现之前在脑电图研究中没有使用过“伽马”这个术语，于是他们决定在提交给EEG期刊的手稿中使用这个名称 [39] - 期刊编辑Mollie Brazier回信称命名委员会拒绝认可这个用法，并要求移除“伽马”术语，否则不予发表，但最终发表时标题中的“伽马节律”仍然被保留了下来 [39] - 后来作者发现，在Bressler和Freeman手稿的引言中，作者承认“伽马波”这一术语早在1938年已被Jasper和Andrews用来描述人类脑电图中35–45Hz的低振幅、类贝塔波，表明Walter Freeman的记忆有误 [40] - 作者也意识到，在自己1983年发表的论文中并未提到“伽马振荡”这个术语，而是使用了“海马快速波”，说明他自己的记忆也出现了偏差 [41] 长时程增强术语的演变 - 1980年在布达佩斯，作者在与Tim Bliss和Graham Goddard会面时，曾尴尬地向他们解释自己关于CA1联合输入LTP的实验，而当时并未认出他们 [42] - 1987年，在作者于佩奇组织的“海马体突触可塑性”卫星会议上，原定演讲嘉宾Graham Goddard因意外去世，会议被作为对他的纪念 [43] - 在该会议上，Tim Bliss提议将他创造的术语LLP改为Graham Goddard提出的LTP，以纪念Goddard，LTP由此成为标准术语 [44] 尖波涟漪的发现与记忆巩固模型 - 在Case Vanderwolf实验室研究自由活动动物时，作者通过听觉注意到当实验鼠获得大量水奖励或长时间静止时，会出现一种特别响亮的神经元群体放电声音 [45] - 通过使用固定电极和可移动微电极绘制深度分布图，发现该活动伴随着CA1放射层中的大幅负波，其深度分布与联合纤维诱发反应的分布几乎完全一致 [45] - 在切除隔区和内嗅皮层后，发现这种活动模式源自CA3神经元的反复兴奋性侧支，是一种内源性神经活动，作者将其命名为“尖波” [46] - 作者最初猜想尖波可能是一种“教学信号”，用于诱导新皮层的可塑性，或许是LTP在体内的具体表现 [46] - 诺贝尔奖得主David Hubel在参观实验室后评论道：“如果这不是癫痫活动，那它一定很重要。” [47] - 在论文被接受后，作者从Shinya Suzuki处得知，O‘Keefe和Nadel的著作中展示了一种与尖波爆发相似的模式，他们将其称为“涟漪”，因此作者在后来的论文中将其称为“尖波-涟漪”复合现象 [48] - 作者研究了一种去神经支配的海马体制备，发现当海马去除皮下神经支配后，尖波-涟漪被转化为大幅度的间歇性尖峰波 [50] - 在高频刺激内嗅输入后，响应幅度并未均匀增加，而是出现了一种全新的、独特的时空模式，且CA1区域自发出现的群体事件与这些诱发反应几乎完全一致 [50] - 作者确信这些发现揭示了学习和记忆的基本原理，并提出了两阶段记忆模型：在学习阶段，新皮层的信息改变CA3回馈系统中的突触连接；在离线脑状态中，自发的尖波-涟漪会反复重现新形成的神经活动模式，从而实现记忆巩固 [51] - 1994年，Matt Wilson和Bruce McNaughton发表在《Science》上的论文首次提供了清醒经历在睡眠中重新激活的直接证据 [57] - 作者的学生Zoltan Nádasdy发现，尖波-涟漪爆发期间单个神经元的放电序列会稳定重复，这反映了清醒经历的时间压缩印记 [58] - 最近的研究发现，尖波-涟漪起到事后编辑的作用，只有当一段经历被尖波-涟漪标记后，它才会在后续的睡眠中反复“重放”，从而决定哪些信息该被保留 [67] 神经科学研究框架的转变 - 作者指出，神经科学中沿用的许多术语源自民间心理学，这些词常被同时用作“需要解释的现象”和“用来解释的概念”，这种以人类自身视角为主导的框架可能存在问题 [59] - 作者主张换个角度，重新切割大脑的“自然属性”，并出版了《The Brain from Inside Out》一书，提出大脑网络最主要的工作并非被动吸收外在信息，而是维持自有的内在状态，时时刻刻生成海量神经活动模式 [60][61] - 学习更像一场“匹配过程”，而非从零开始的计算，大脑预先存在的活动模式一旦与动作或外界有用信号挂钩，就变得对机体至关重要 [61] - 在大规模记录技术的帮助下，研究发现脑内很多生理及解剖层面的参数分布往往严重偏斜并呈现长尾特征，表明偏斜的分布方式才是大脑结构与功能组织的根本 [64] - 大脑充满了多元化、并非均等的组织方式，它们依托于既定的神经联结和动力结构，这些预先存在的网络结构常被称为“吸引子”、“流形”或“神经图式” [64] - 过去十年，研究在新框架下展开，实验结果显示，那些看似受外部控制的神经机制其实高度依赖自主组织，在睡眠期间仍然存在 [65] - 一系列实验也在检验那些看似通过学习才形成的神经元模式，究竟在多大程度上早已预先存在 [65] - 与“外部输入通过活动依赖的可塑性塑造连接”的流行框架不同，研究发现“在一同出生的神经元，会一同联结并一起放电” [66] - 许多实验室把海马体的尖波-涟漪视为认知层面的生物标记，但实际上这种模式很早就已出现，远早于复杂的新皮层能够读出海马锐波中的记忆内容之时 [66] - 研究发现尖波-涟漪活动能减少体内细胞间隙中的葡萄糖含量，表明认知与全身代谢两大过程因此连接在一起，让记忆与代谢在机体内同时被调控 [66]