從神經元到學習與記憶 | MIT新聞

馬克·哈內特 (Mark Harnett) 的科學旅程

馬克·哈內特 (Mark Harnett) 是麻省理工學院 (MIT) 的副教授，他仍然記得第一次看到活神經元 (neuron) 的電活動時的興奮。

當時他是瑞德學院 (Reed College) 的大四學生，花了幾個星期搭建一個“貼片夾具” (patch clamp rig) 的實驗裝置，這是一種可以輕柔地探測神經元並測量其電活動的設備。

哈內特說：“第一次把這個電極放到細胞上，能在示波器上看到實時的電活動時，我心想，‘天啊，這就是我一生要做的事情！這是我見過的最酷的事！’”

哈內特最近在麻省理工學院的腦與認知科學系獲得終身教職，現在他研究神經元的電性質，以及這些性質如何使神經電路進行計算，從而產生學習、記憶和感知等大腦功能。

他說：“我實驗室的最終目標是了解皮層 (cortex) 是如何運作的。這些計算是什麼？細胞、電路和突觸 (synapses) 如何支持這些計算？學習和記憶的分子和結構基礎是什麼？這些東西如何與電路動態互動，以產生靈活且依賴於上下文的計算？”

他補充道：“我們通過研究分子，如突觸受體和離子通道，一直到動物行為，並建立神經電路的理論模型來追求這些問題。”

對心智的影響

哈內特對科學的興趣始於中學，當時有位老師讓這個科目變得生動有趣。他說：“那是中學科學，主要是把隨機的東西混在一起。雖然沒有特別高深，但非常有趣。我們的老師非常鼓勵和啟發人心，她真的激發了我對科學的終身興趣。”

當哈內特11歲時，他的父親在明尼阿波利斯的一家科技公司找到新工作，於是全家從新澤西州搬到了明尼蘇達州，這讓他感到很難適應。在選擇大學時，哈內特決定選擇一所遠一點的學校，最終選擇了位於俄勒岡州波特蘭的瑞德學院，這所學校鼓勵學生在學業和個人發展上獨立。

他回憶道：“瑞德學院真的很自由。它讓你成長為你想成為的人，嘗試各種事情，無論是學術上還是藝術上，還有你想成為的那種人。”

在大學時，哈內特喜歡生物學和英語，特別是莎士比亞。他的英語教授鼓勵他進入科學領域，認為這個領域需要能夠寫作和創造性思考的科學家。他對神經科學感興趣，但瑞德學院沒有神經科學系，所以他選擇了最接近的課程——神經藥理學 (neuropharmacology)。

他說：“那門課讓我大開眼界。想想這些藥物，無論是來自植物還是合成的，如何影響你的思維，真是太迷人了。那門課改變了我對未來的看法，我決定要成為一名神經科學家。”

在大四的研究論文中，哈內特加入了俄勒岡健康科學大學 (OHSU) 的一個電生理學實驗室，與研究聽覺系統突觸傳遞的拉里·特拉塞爾 (Larry Trussell) 教授合作。在那個實驗室，他第一次搭建並使用貼片夾具來測量神經元的活動。

大學畢業後，他在明尼蘇達大學的實驗室擔任研究技術員一年，然後回到OHSU，在另一個研究實驗室研究離子通道和突觸生理學。最終，他決定上研究所，來到德克薩斯大學奧斯汀分校，當時他的未婚妻正在那裡學習公共政策。

在攻讀博士學位時，他研究釋放神經調節劑多巴胺 (dopamine) 的神經元，以及這些神經元如何受到濫用藥物和成癮的影響。然而，當他完成學位後，他決定回到計算的生物物理學研究，這是在霍華德·休斯醫學研究所 (Howard Hughes Medical Institute) 的贊尼利亞研究中心 (Janelia Research Campus) 與傑夫·馬基 (Jeff Magee) 合作進行的博士後研究。

廣泛的研究方法

2015年，他在麻省理工學院的麥戈文研究所 (McGovern Institute) 開設實驗室時，開始擴展他的研究重點。雖然離子通道和突觸的生理學是他實驗室工作的基礎，但他們將這些過程與神經計算、皮層電路運作和更高級的認知功能聯繫起來。

神經元之間流動的電脈衝使它們能夠互相通信，這些脈衝是由控制鉀 (potassium) 和鈉 (sodium) 等離子流的離子通道產生的。在2021年的一項研究中，哈內特和他的學生發現，人類神經元的這些通道數量比預期的要少得多，與其他哺乳動物的神經元相比。

這種密度的減少可能是為了幫助大腦更有效地運作，使其能夠將資源轉向其他需要大量能量的過程，以執行複雜的認知任務。哈內特的實驗室還發現，在人類神經元中，電信號在樹突 (dendrites) 中傳遞時會減弱，這意味著樹突的小部分可以形成單獨計算的單元。

哈內特的實驗室最近還驚訝地發現，成年大腦中存在數百萬個“靜默突觸” (silent synapses)——這些不成熟的連接在被招募幫助形成新記憶之前保持不活躍。這些突觸的存在提供了一個線索，說明成年大腦如何能夠不斷形成新記憶和學習新事物，而不必改變成熟的突觸。

許多這些項目都是哈內特在開始教職生涯時並未預見的，但它們自然地從他想要採取的廣泛方法中發展而來。為此，他希望招募希望在不同層面上工作的人——從分子生理學到行為和計算建模。

作為一名研究電生理學的博士後，哈內特大部分時間都是獨自使用他的貼片夾具和雙光子顯微鏡 (two-photon microscope)。雖然這類工作在他的實驗室中仍然進行，但整體氛圍更加合作和友好，作為導師，他喜歡給學生們廣泛的自由，讓他們提出符合實驗室整體使命的項目。

他說：“我有一個令人難以置信的動態團隊，與他們合作真的很棒。我們對研究皮層採取廣泛的方法，我認為這就是有趣的所在。與我能夠招募的研究生、技術人員、本科生和博士後合作，對我來說是最重要的事情。”