脑科学研究新进展：人类海马CA3用特定连接规则进行有效联想记忆

我们的大脑拥有非凡的计算能力，能够产生复杂的行为、储存个体一生中的记忆，并产生高级认知功能。然而，我们的神经科学知识很少涉及人脑。这个器官是独一无二的还是广泛研究的啮齿动物大脑的放大版？结合多细胞膜片钳记录、超分辨率显微镜和全尺度建模，作者确定了人类海马CA3区域的细胞和微回路特性，这是记忆存储的基本回路。与新皮质网络相比，人类海马CA3显示出稀疏的连通性，提供了一个最大化联想能力的回路架构。人类突触表现出独特的可靠性、高精度和长整合时间，展现了物种和回路特异性的特性。结合增加的神经元数量，这些回路特性极大地增强了CA3的记忆存储能力。作者的结果揭示了人类海马独特的微回路特性，并开始解开我们最复杂器官的内在工作机制。

我们都体验过人脑非凡的计算能力。它产生精细的行为序列，储存一生中的记忆，并为我们提供了想象和意识等复杂的认知功能。然而，细胞和回路如何产生这些不可思议的现象仍然未知。我们不知道人脑是否只是经过广泛研究的啮齿动物大脑的简单放大版或者其独特性是由细胞、树突或突触的具体特性产生的。区分这些可能性需要对活体人脑组织进行结构和功能分析。然而，只有极少数实验研究直接检查了人类脑回路的特性。这一点在海马中尤为突出，海马是啮齿动物大脑中研究最密集的区域，但我们对其在人类中的细胞功能知之甚少。海马CA3区域是大脑中最大的自联想网络，在记忆存储中扮演着基础角色。虽然其细胞、突触和微回路特性在啮齿动物中得到了深入研究，但人类CA3的功能却不得而知。

目前，解决这些基本问题的唯一方法是从人类患者身上获取活体脑组织的直接记录。人们普遍认为，这种测量只可能在新皮质组织中进行，因为新皮质被认为不受潜在疾病的影响，且在手术过程中保存得更好。然而，最近的研究表明，在癫痫手术期间从患者身上提取的海马组织是异质的，包括海马高度硬化的患者，以及海马看起来基本未受影响的个体。术前的磁共振成像（MRI）和术后的组织学分析显示，这些患者的组织与未受影响的人类之间没有差异。这样的非硬化样本提供了一个独特的机会，可以确定人类海马中记忆存储和高阶计算的突触基础。

1.人类海马体神经元的记录

为了描述人类CA3区域的细胞、突触和回路，作者从17名接受单侧颞叶切除手术的颞叶癫痫（TLE）患者那获得了海马组织块（图1）。这些组织立即被进行急性切片制备和基于多细胞膜片钳的功能性回路图谱绘制。作者通过免疫组织化学、记录神经元的可视化和超分辨率显微镜，对人类大脑中CA3循环网络进行了详细的结构和功能描述（图1A-D）。

术前MRI分析、IR-DIC成像以及免疫组织化学显示患者群体高度异质。部分海马样本没有显示出海马体硬化的迹象（图1B-E）。作者在CA3中量化了细胞密度，并确认非硬化样本中细胞密度高且稳定，相当于非癫痫死后样本（图1F）。此外，这种“非硬化”组织中记录的CA3锥体神经元（PNs）的自发突触后电流（sPSCs）频率比硬化样本高一个数量级，表明功能上保持了回路连接（图1H）。综合这些分析，非硬化患者组织中的海马回路没有显示出疾病引起的损伤，这证实了CA3的完整性。这使作者能够在尽可能生理的设置中检查人类海马体微回路的结构和功能。

2.人类CA3中稀疏的突触连接

为了检测人类CA3中的功能突触连接，作者使用了基于多细胞膜片钳的回路制图。从非硬化人类海马切片的记录中，鉴定了262个神经元为CA3 PNs并发现了10个推测的单突触连接（图2C）。突触连接的神经元之间的体细胞距离变化范围很大，并与啮齿动物中CA3的测量结果一致。这些结果表明，人类CA3是一个稀疏但广泛连接的循环网络。

为了验证人类CA3中的稀疏突触连接性由回路结构而不是组织或记录质量引起的，作者在相同的实验条件下，从人类层2-3新皮质神经元进行了额外的多细胞记录，使用在海马手术期间切除的新皮质颞叶组织（图2D-E）。结果发现人类新皮质中存在密集的循环连接，但与在人类海马CA3区的发现形成了鲜明对比（图2F）。因此，稀疏连接性是人类海马CA3回路的特定属性，而更密集的连接性是人类新皮质的特征。

为了跨物种分析突触连接性，作者比较了人类、大鼠和小鼠之间的连接概率。在相同的实验条件下测量，小鼠的连接性最高，大鼠居中，人类最低（图2G）。与这些发现一致，CA3轴突的分支密度在人类中比啮齿动物低（图S2B）。因此，人类CA3不仅比新皮质循环网络具有更稀疏的连接性，而且随着大脑尺寸的增加，回路结构似乎在物种间变得更加稀疏。

3.人类CA3中可靠和精确的突触传递

接下来，作者检测了人类CA3中细胞和突触的功能特性（图3）。由于目前对海马功能的理解几乎完全基于对啮齿动物组织的分析，作者首先描述了人类CA3 PNs的基本特征。与啮齿动物相比，人类CA3 PNs的放电显示出更高程度的时间精度。

然后，作者检测了海马CA3-CA3突触的单一突触传递特性（图3）。与新皮质突触相比，记录的人类CA3 PNs之间的兴奋性突触后电位（EPSPs）有明显的更慢的上升和衰减时间（图3B）。CA3 PNs显示出明显慢于新皮质神经元的表观膜时间常数（图3C），表明突触后膜特性的差异可能是潜在的机制。为了进一步区分突触导电和突触后膜特性的影响，作者检测了兴奋性突触后电流（EPSCs）的动力学，发现EPSPs之间的动力学差异远小于EPSCs（图3D-E）。最后，人类CA3突触在20-Hz连续突触前刺激期间比新皮质突触的抑制性要小（图3B-E）。因此，人类CA3 PNs提供了一个更宽的时间窗口。

作者接着分析了不同物种中的单元EPSPs和EPSCs（图3F-H）。小鼠和人类CA3突触特性的直接比较显示，两个物种在突触传递的可靠性和振幅精度方面存在一个主要差异。人类CA3-CA3突触非常可靠，而小鼠突触显示出显著较低的成功率（图3G）。综合来看，可靠和精确的传递似乎是人类循环网络中突触信号的一般特征。

4.从小鼠到人类的循环连接的比例

作者通过共聚焦显微镜和重建分析了人类CA3神经元的树突（图4A-D）。结果发现一些神经元表现出极端的基底树突延伸或明显的“倒立”拓扑结构（图4B）。在一部分CA3 PNs中，观察到树突穿过颗粒细胞层（GC层），接收CA3输入的总树突长度从小鼠的每个PN 6.5mm增加到人类的每个PN 15.7mm（图4D）。

然后作者计算了相关树突分支上的树突棘（图4E-G）。作者在人类CA3神经元的一级树突上同时观察到刺状突起和简单棘突（图4E-F）。人类PNs上的棘突密度降低到了小鼠CA3 PNs的50%（图4F）。因此，较低的兴奋性输入似乎是整个人类大脑中兴奋性神经元的一个保守特征。总的而言，海马的进化扩张伴随着细胞数量的大量增加，树突长度的大量增加和脊密度的减少，总体上导致突触输入数量的适度增加。此外，作者发现在人类海马CA3中识别出的稀疏连接性反映了CA3和新皮质之间相互排斥的回路结构：CA3中的稀疏和广泛连接性与新皮质中的密集和“柱状”连接性相对立。这样的网络安排可能最大化了海马的联想能力，促进了并行、空间分离的信息流之间的关联。

5.最大网络容量的理论决定因素

作者的结果揭示了人类CA3回路的关键特征：稀疏连接性和可靠的突触信号传递。作者使用一个关于CA3记忆功能的成熟理论模型理解这些特性对记忆存储容量的影响（图5）。CA3的进化扩展可能采用了替代路径：增加连接性，从而增加每个神经元的输入数量，或者在更大的神经元数量（N）之间偏好更稀疏的连接性（Pconn）。并且，从总突触数量约20亿（近似小鼠CA3）到600亿总突触数量（近似人类CA3）的所有大小的循环网络，一致显示出对于较低连接性结合较高细胞数量的存储容量大于较高连接性结合较低细胞数量的存储容量（图5B）。因此，对于一个理论CA3网络来说，提高记忆容量的进化驱动力会优先扩展神经元数量而不是增加网络互连性。增加突触变异性（CV）以比例方式降低了所有大小网络的记忆存储容量（图5C）。结果表明，在理论循环网络中，通过稀疏连接性、增加神经元数量，以及增强突触可靠性来实现最大存储容量。这些结果证实了人类CA3采用高效的编码设计，最大限度地提高了联想能力最大化和记忆存储容量。

6.特定通路的CA3突触输入扩展

为了测试这种进化稀疏化是否特定于突触，作者检查了苔藓纤维路径的连接性，该路径传递来自颗粒细胞层（GCs）的输入（图6）。与众所周知的啮齿动物海马体结构相比，人类GC层在长度上大大扩展，保持了一个高GC密度的薄层。相比之下，CA3层沿着深-浅轴扩展（图1G、6A-B）。作者观察到人类CA3 PNs的顶树突和基树突上都有刺状突起，意味着苔藓纤维输入发生在更广泛的亚细胞领域（图6A-B）。

重构PNs上的刺状树突长度发现从小鼠到人类增加了8.2 ± 0.5倍，超出了总树突长度和CA3递归侧支系统的树突长度的扩展比例（图6C）。作者重建PN树突的苔藓纤维连接组，并发现这些树突在小鼠和人类中都与大量的大突触接触刺状突起（图6D）。与小鼠相比，人类PNs上的突触密度减少了30%（图6E）。表明在人类CA3区域，无论是GC还是CA3递归输入的网络连接性都更稀疏。这种人类苔藓纤维汇聚的显著扩展有潜力显著增加人类CA3的关联能力。

结论

综合以上数据表明，人类海马遵循了一条扩展神经元数量的高效编码路径。采用稀疏但广泛的CA3-CA3连接性将改善模式完成，并允许系统以分布式的方式在整个海马中关联记忆印迹。这与新皮质根本不同，在新皮质中，皮层模块或柱状体内的密集连接性可能使快速而高效的局部计算成为可能。作者的结果显示了人类海马微回路功能的独特特征。虽然模型生物研究为我们理解大脑功能提供了基础，但直接从人脑组织中进行的测量对于揭示全貌至关重要。