作者：MarleneBartos*、ImreVida‡和PeterJonas*
摘要
伽马频率振荡被认为为大脑中的信息处理提供时间结构，有助于记忆形成和感觉处理等认知功能，且在某些精神疾病中会受到干扰。快速放电、表达小白蛋白（parvalbumin）的躯体抑制性中间神经元在这些振荡的产生中起关键作用。本文综述了海马体和新皮层中的实验分析，发现这些中间神经元之间的突触具有高度特化特性。计算分析进一步表明，突触特化使中间神经元网络成为稳健的伽马频率振荡器。
关键词：伽马振荡；抑制性中间神经元；突触机制；网络同步；海马体
引言
振荡活动是多个脑区（如嗅球、丘脑、海马体和新皮层）神经元网络功能的标志¹。网络振荡的频率覆盖三个数量级以上，从delta（0.5–3Hz）和theta（3–8Hz）范围的慢振荡到gamma（30–90Hz）和超快（90–200Hz）范围的快振荡¹。在这一频谱中，伽马振荡因其与高阶脑功能的关联最为显著而受到特别关注²³。伽马振荡被认为是时间编码的参考信号⁴⁵、感觉特征整合为连贯知觉的机制²，以及信息存储与提取的基础⁶⁷。相反，伽马振荡的破坏可能是精神分裂症等精神疾病的潜在病理基础⁸⁹。
为理解振荡如何贡献于高阶脑功能，首先需阐明其基本机制。网络振荡产生的核心要求是神经元活动的规律性和同步性。若单个神经元规则发放动作电位，其输出突触的节律性激活会导致所有突触后靶细胞的膜电位周期性波动¹⁰。若多个神经元同时规则且同步发放，这种波动信号会被放大，在更大范围的靶细胞群中定义兴奋性增减的时间窗口。同时，节律性突触激活模式会产生波动的场电位信号，可通过细胞外记录电极轻松测量¹¹。突触连接的发散性导致网络振荡的高空间相干性，这种高度相干的振荡可能是大型神经元集群中时间编码和感觉整合的理想参考信号²⁵。
尽管伽马振荡存在于所有皮层区域¹²，但在海马体中研究最为深入¹¹⁻¹³。原因包括：（1）海马体简单的层状结构使其细胞外记录的伽马振荡功率高于其他脑区¹⁴；（2）海马体伽马振荡在特定行为条件（如探索）下被诱发，且常与theta振荡共存¹²，便于分析网络振荡与行为的关系；（3）海马体对空间导航和情景记忆至关重要，可研究网络振荡在信息编码、存储和提取中的作用⁷¹⁵¹⁶。尽管海马体伽马振荡已研究数十年，但其神经元和突触机制直到最近才逐渐明晰。
伽马活动对抑制的依赖性
直觉上，相位性兴奋似乎是产生同步振荡活动的理想机制，但伽马振荡可能并非如此。可通过离体急性海马脑片系统研究兴奋和抑制对伽马振荡产生的贡献（图1）。在这些脑片中，伽马活动可通过电刺激或化学激动剂诱发，且新兴振荡的特性可通过细胞外或细胞内记录进行研究。
GABA能中间神经元网络在体外产生伽马振荡
a|经代谢型谷氨酸受体（mGluRs）激活，海马CA1区在体外通过强直刺激（箭头）诱发伽马振荡。通过CA1锥体神经元的全细胞记录测量振荡活动，GABA_A受体拮抗剂荷包牡丹碱可阻断振荡。
b|振荡的功率谱在~40Hz处显示最大值。在快兴奋性突触传递阻断剂存在时仍可记录到类似振荡。
c|离子型或代谢型受体激动剂在体外诱发的海马伽马活动。左图：毒蕈碱受体激动剂卡巴胆碱诱导的CA3区伽马振荡可被AMPA受体拮抗剂NBQX和GABA_A受体拮抗剂荷包牡丹碱共同阻断；右图：海人藻酸诱导的CA3区伽马振荡对AMPA受体拮抗剂GYKI53655不敏感，但被荷包牡丹碱完全消除。
早期研究意外发现，在离子型谷氨酸受体阻断剂存在时，海马CA1区的伽马振荡仍可通过强直刺激诱发¹⁷，表明这种形式的伽马振荡不需要快兴奋性突触传递（图1a,b）。体外实验中，伽马振荡可通过多种代谢型或离子型受体激动剂诱导：代谢型谷氨酸受体（mGluRs）¹⁷、毒蕈碱乙酰胆碱受体（mAChRs，模拟来自隔核的胆碱能输入）¹⁸¹⁹、海人藻酸受体²⁰²¹，也可通过高钾溶液诱导²²。然而，不同条件下诱发的伽马振荡对兴奋和抑制的依赖性存在差异：CA1区mGluR诱导的伽马振荡被GABA_A受体拮抗剂荷包牡丹碱完全阻断，但在AMPA受体拮抗剂存在时仍可维持¹⁷；类似地，CA3区海人藻酸诱导的振荡被荷包牡丹碱阻断，但不受AMPA受体阻断剂影响²¹。相比之下，胆碱能激动剂卡巴胆碱诱导的CA3区振荡不仅依赖GABA_A受体，还需AMPA受体激活¹⁸²³。高钾诱导的CA1和CA3区振荡则具有中间特性：完全依赖GABA_A受体，但仅部分受AMPA受体阻断剂抑制²²。
无论诱导方式如何，伽马振荡的功率和频率均可被调节GABA_A受体门控的物质（如苯二氮䓬和巴比妥类）改变¹⁷²¹²⁸，突显GABA突触在振荡产生中的核心作用。这种差异可通过突触连接性和神经元激活模式解释：mGluR和海人藻酸受体模型中，中间神经元被直接激活，无需相位性兴奋；而mAChR模型中，中间神经元通过锥体神经元间接激活，因此依赖相位性兴奋。高钾溶液可能同时去极化中间神经元和主细胞，故其振荡特性介于两者之间（图1c,d）。
此外，缝隙连接对某些体外伽马振荡形式很重要。卡巴胆碱诱导的CA3区伽马振荡被非特异性缝隙连接阻断剂辛醇抑制³²，高钾诱导的CA1区振荡被特异性更高的卡苯氧胺减弱³³。在连接蛋白36敲除小鼠中，中间神经元间的电耦合被消除，海人藻酸诱导的CA3区振荡也显著减弱³⁴³⁵。因此，缝隙连接耦合可增加伽马振荡的功率，但非产生所必需。
篮状细胞在伽马振荡中的作用
伽马活动对GABA_A受体介导抑制的高度依赖，促使研究者认为相互连接的抑制性中间神经元网络是伽马振荡的主要发生器。类比而言，中间神经元网络充当“时钟”，为主细胞集群提供定时信号⁵。但并非所有中间神经元都参与伽马活动——GABA能中间神经元具有高度多样性，其功能特性、轴突分支和分子标志物表达存在差异³⁶⁻⁴²。
证据表明快速放电篮状细胞是核心参与者：
1.形态学特异性：篮状细胞的轴突在锥体层形成密集分支，支配主细胞的胞体和近端树突，这种分布与伽马振荡期间的电流源-sink分布一致¹²¹³²³⁴⁸。
2.电生理特性：篮状细胞表现出快速放电表型⁴⁹和高内在共振频率⁵⁰，其动作电位时程短、后超极化快速衰减，适合高频同步发放。
3.活动模式：在体内和体外伽马振荡期间，篮状细胞以~每个周期1次的频率发放，并与场电位振荡精确锁相¹²¹³²³⁵¹⁻⁵³（图2）。
篮状细胞的动作电位与体内外伽马振荡锁相
a|行为大鼠齿状回中推定的海马快速放电篮状细胞的在体胞外记录。上图：胞外记录的场电位；下图：记录单元的spike-time直方图（STH）。中间神经元在伽马活动期间高频发放，并与场电位振荡锁相。
b-d|卡巴胆碱诱导的伽马振荡期间，CA3区解剖学鉴定的篮状细胞的细胞贴附记录。b显示场电位（上）和对应动作电位（下）；c显示平均场电位（上）和spike-time直方图（下）；d显示记录的篮状细胞形态，其轴突在锥体层（s.p.）形成特征性分支。
篮状细胞间的快速抑制
解决篮状细胞突触特性是否与网络模型假设一致的理想实验策略是急性脑片的配对记录。该方法可记录单位抑制性突触后电位（IPSPs）和电流（IPSCs），并结合生物胞素标记鉴定突触前中间神经元的形态和分子标志物。
配对记录实验揭示篮状细胞间突触的特化功能特性：
1.快速动力学：这些细胞的GABA_A受体介导的IPSCs具有惊人的快速动力学特性⁷⁵⁷⁶。在近生理温度下，经轴突动作电位传导延迟和递质释放延迟后，IPSCs几乎瞬时上升，衰减时间常数~2ms⁷⁵。这种快速抑制具有靶细胞特异性——篮状细胞-篮状细胞突触的IPSCs比篮状细胞-主细胞突触快约两倍⁷⁵⁷⁶⁸¹。
2.高强度：诱发的IPSCs振幅大⁷⁵⁷⁶。免疫细胞化学分析显示，CA1区篮状细胞-篮状细胞突触的GABA_A受体α1和β2/3亚基数量约为篮状细胞-锥体神经元突触的三倍⁸²。尽管篮状细胞-篮状细胞突触表现出突触depression，但在高频刺激train期间仍能维持显著的IPSC成分⁷⁵⁸¹。
3.分流效应：GABA_A受体介导的突触事件并非超极化，而是“分流”性的⁸⁴⁸⁵（专栏2）。在海马体、新皮层和小脑的GABA能中间神经元中，单个诱发IPSCs的反转电位介于静息电位和动作电位阈值之间⁶⁸⁸⁶⁸⁷。例如，齿状回篮状细胞的平均突触反转电位为–52mV（静息电位–59mV，阈值~–40mV）⁶⁸。
分流抑制如何促进同步化
抑制的性质由GABA_A受体介导的突触电流反转电位（E_syn）定义：
·超极化机制：E_syn<静息膜电位（rmp）
·分流机制：rmp≤E_syn<动作电位阈值
·兴奋机制：E_syn≥阈值
分流抑制的躯体树突整合规则与超极化抑制不同¹²⁴。其效应分为两个时相：第一时相，突触电导导致细胞兴奋性降低（尽管伴随去极化）；第二时相，电导衰减后膜去极化持续，兴奋性升高。若分流GABA突触靠近动作电位起始位点，两时相均相关；若远离，则仅去极化时相显著。
含快速、强分流突触的模型
早期网络模型假设抑制是缓慢、微弱且超极化的，但篮状细胞间的抑制实则快速、强烈且分流。那么这种突触是否支持中间神经元网络模型中的同步化？
关键发现：
·延迟的重要性：无延迟时，含快速强分流突触的中间神经元网络仅产生低相干性伽马振荡；引入短延迟（传导延迟+突触延迟）后，同步性显著增强⁶⁷⁷⁶。延迟还影响网络频率——较长延迟降低频率，较短延迟则增加频率。
·分流抑制的稳健性：基于分流抑制的模型在大范围参数空间（平均强直兴奋性驱动Iμ和突触峰值电导g_syn）内产生相干伽马振荡（图5b），且对强直兴奋性驱动的异质性耐受性显著提高。与基于缓慢弱超极化突触的模型相比，分流突触网络可容忍高达~70%的异质性（图5c）。
含快速、强分流抑制突触及缝隙连接的“realistic”中间神经元网络模型是最优伽马频率振荡器
a|200个神经元排列在虚拟环中。右侧轨迹显示模拟的突触前动作电位、单位GABA_A受体介导电导（g_syn）、完全同步网络中的复合GABA_A受体介导电导（G_syn），以及单个缝隙连接电流（I_gap）。
b|相干性（κ）随单位突触峰值电导g_syn和平均强直兴奋性驱动Iμ的变化。峰值区域对应伽马频率范围（红色和橙色）。
c|相干性随强直兴奋性驱动的变异系数（Iσ/Iμ）和g_syn的变化。该模型在高达70%的异质性下仍能产生同步振荡。
快速中间神经元兴奋
篮状细胞存在两种分子和功能不同的快速兴奋机制：
1.缝隙连接介导的电耦合：中间神经元间存在电突触，而中间神经元与主细胞间无此连接⁷⁵⁷⁶⁷⁸⁻⁹²。动作电位通过缝隙连接传播，产生衰减的“spikelets”，其延迟极小且振幅恒定，与化学突触事件不同。
2.主细胞的快速谷氨酸能突触：局部和远端主细胞通过强而快的谷氨酸能突触激活中间神经元。齿状回颗粒细胞-篮状细胞突触的EPSCs上升时间<1ms，衰减时间常数~1ms⁹⁶，且AMPA受体亚基密度比主细胞突触高约四倍¹⁰⁶。
结论与展望
实验和理论证据表明，特化的突触特性支持中间神经元网络产生伽马振荡。未来需解决的关键问题包括：
· 中间神经元多样性（如胆囊收缩素表达篮状细胞）如何影响振荡活动⁵⁴¹¹²¹¹³？
· 体内外振荡网络中的主要突触相互作用（如IN-INvsPN-IN-PN）是什么？
· 不同体外伽马模型是否在体内具有区域和状态依赖性？
新技术可能提供答案：behaving动物的高分辨率全细胞膜片钳记录¹¹⁴、结合遗传学的光生理学方法¹¹⁵、多神经元同步记录技术¹¹⁶，以及实验-计算结合的整合分析¹¹⁷。这些策略将推动我们对复杂振荡网络动态行为的理解。
参考文献（节选）
1. Buzsáki,G.&Draguhn,A.Neuronaloscillationsincorticalnetworks.Science304,1926–1929(2004).
2. Gray,C.M.&Singer,W.Stimulus-specificneuronaloscillationsinorientationcolumnsofcatvisualcortex.Proc.NatlAcad.Sci.USA86,1698–1702(1989).
3. Wang,X.-J.&Buzsáki,G.Gammaoscillationbysynapticinhibitioninahippocampalinterneuronalnetworkmodel.J.Neurosci.16,6402–6413(1996).
4. Bartos,M.etal.Fastsynapticinhibitionpromotessynchronizedgammaoscillationsinhippocampalinterneuronnetworks.Proc.NatlAcad.Sci.USA99,13222–13227(2002).
5. Vida,I.,Bartos,M.&Jonas,P.Shuntinginhibitionimprovesrobustnessofgammaoscillationsinhippocampalinterneuronnetworksbyhomogenizingfiringrates.Neuron49,107–117(2006).
（注：完整图表及参考文献参见原文）
缩略词：IPSP（抑制性突触后电位）、EPSC（兴奋性突触后电流）、GABA（γ-氨基丁酸）、mGluR（代谢型谷氨酸受体）、AMPA（α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸）。
