内嗅皮层与海马之间，永不串台的电波

文献：Fernández-Ruiz A, Oliva A, Soula M, Rocha-Almeida F, Nagy GA, Martin-Vazquez G, Buzsáki G. Gamma rhythm communication between entorhinal cortex and dentate gyrus neuronal assemblies. Science. 2021 Apr 2;372(6537):eabf3119.

DOI：https://doi.org/10.1126/science.abf3119

我们的大脑是一个复杂的无线电波接收、发射器。不同波段的脑波在各个脑区互相沟通，有条不紊地传递信息。不同信息各自“收发频率”不同，这保证了大脑互不干扰地高效运转。就好比我们打开收音机调到FM87.2，就可以听到中央人民广播电台，再调到FM89.8，就变成中国国际广播电台了。除非你买了个假收音机，否则串台情况应该是很少见的。

近年来，越来越多的研究发现，不同脑波的调频与上下游的信息传播紧密相关。尤其是30-150Hz范围内的伽马波，常常被认为是统筹不同脑区神经元放电的重要“通讯电台”。真是如此吗？最近，来自纽约大学的Buzaki团队通过在体电生理记录和光遗传干预的方法，实锤了这一假说。
研究人员巧妙了利用了外侧内嗅皮层（lateral entorhinal cortex，LEC）和内侧内嗅皮层（medial entorhinal cortex，MEC）分别接收外来刺激“是什么”（‘what’）和“在哪里”（‘where’ or ‘how’）信息的解剖学性质，给大鼠设计了对象学习（object learning）和空间学习（spatial learning）的任务。LEC和MEC的下游是大名鼎鼎的海马齿状回（dentate gyrus）DG-CA3回路，研究人员推测：如果在某一特定时刻DG-CA3更倾向于接收来自LEC或者MEC的信息，此时则会有特定波段的伽马波来协调特定神经元集合的放电。并且，这个特定集合里的神经元放电是否能“踩准点”非常重要，如果人为破坏掉这种同步性，则会影响大鼠的学习进程。
为了帮助研究者证明这一假说，聪明的大鼠需要完成三个学习任务。在第一个空间学习任务中，它需要记住“奶酪拼盘迷宫”（cheeseboard maze）中三个固定位置的奖励，迅速把它们全部拿到。而在第二个对象学习任务中，两个相同物品的放置位置代表着奖励所在的位置，而另外两个相同物品则是干扰大鼠注意力的“幌子”，大鼠需要分辨出正确的物品提示，才能按图索骥找到奖励。最后，在第三个“对象-空间学习”（object-place learning）任务中，大鼠站在迷宫左边时，一种物品是奖励，另一种物品是干扰，而当它站在迷宫右边时，原来作为干扰的物品则变成了奖励，原来是奖励的物品则变成了干扰。在这个任务中，大鼠不仅需要知道自己在哪里，还要能识别不同的物品提示来寻找奖励。

在大鼠做上述任务时，研究人员通过光遗传技术人为制造了53Hz的伽马波（此前研究表明，53Hz的伽马波不会影响其他波段的正常运行）来破坏在学习过程中神经元的“踩点放电”，他们发现，在空间学习任务中，干扰MEC会大大降低大鼠的表现，而干扰LEC则并不影响表现。相反的，在对象学习任务中，干扰LEC会大大降低大鼠的表现，而干扰MEC则并不影响表现。在第三种对象-空间学习中，干扰MEC和LEC都会降低大鼠的表现。这些证据有力地说明，MEC和LEC和DG-CA3回路在“是什么”和“在哪里”方面有各自的特异性。

- Fernández-Ruiz et al., Science -

接下来，研究者想找到MEC和LEC各自投射到DG的位置特异性、伽马波的频率特异性、和参与细胞的特异性。通过高分辨率电生理记录和独立成分分析（independent component analysis，ICA），他们首先找到了三个主要的伽马波来源：MEC伽马（100-150Hz，gammaF）、LEC伽马（30-50Hz，gammaS）和联合层（commissural）伽马（60-80Hz，gammaM）。他们使用光遗传和药理学分别干预MEC和LEC对DG的调控，发现干扰MEC能选择性降低gammaF的能量，而非gammaS的能量。反之，干扰LEC能选择性降低gammaS，而不是gammaF的能量。其次，从位置特异性来说，这三种伽马波来源分别投射到齿状回分子层的外侧、中间、内侧各三分之一区域。最后，从细胞特异性层面来说，与MEC伽马耦合度更高的是齿状回的颗粒细胞（granule cell，GC），与LEC伽马耦合度更高的则更多为苔藓细胞（mossy cell，MC）和CA3的锥体细胞（CA3pyr）。

有趣的是，研究者发现，在空间学习任务中，只有MEC-DG在gammaF波段的场点位同步性增强，MEC-DG的尖峰－场点位耦合度（spike-LFP coupling）增加，此时如果对MEC（而不是对LEC）伽马波的干扰，就能改变DG位置细胞（place cell）对空间位置信息的编码。与之相反的是，在对象学习任务中，只有LEC－DG在gammaS波段的场点位同步性增强，LEC-DG的尖峰－场点位耦合度增加，如果此时对LEC（而不是对MEC）伽马波干扰，则会改变DG-CA3主要神经元对提示物体和干扰物体的放电反应。总之，MEC和LEC投射到DG的伽马波在波段、神经元成分和学习中的功能都大不相同——你走你的阳关道，我过我的独木桥，两人的“FM伽马波”永不串台。