从神经元到学习和记忆

麻省理工学院（MIT）副教授马克·哈内特（Mark Harnett）仍然记得他第一次看到活神经元的电活动。

他是里德学院（Reed College）的一名大四学生，花了数周时间建造了一个膜片夹装置——一种带有电极的实验装置，可用于轻轻探测神经元并测量其电活动。

“当我第一次将其中一个电极粘在其中一个电池上，并可以在示波器上实时看到电活动时，我想，’哦，我的上帝，这就是我余生要做的事情。这是我见过的最酷的东西！Harnett说。

Harnett最近在麻省理工学院脑与认知科学系获得终身教职，他现在研究神经元的电特性，以及这些特性如何使神经回路能够执行产生大脑功能的计算，如学习、记忆和感官知觉。

“我的实验室的最终目标是了解大脑皮层是如何工作的，”Harnett说。“计算什么？细胞、电路和突触如何支持这些计算？学习和记忆的分子和结构基质是什么？这些东西如何与电路动力学相互作用，以产生灵活的、与上下文相关的计算？

“我们通过观察分子，如突触受体和离子通道，一直到动物行为，并建立神经回路的理论模型，”他补充道。

对心灵的影响

哈内特对科学的兴趣是在中学时激发的，当时他有一位老师让这门学科变得栩栩如生。“那是中学的科学，很多东西只是把随机的东西混合在一起。这并不是什么特别先进的东西，但真的很有趣，“他说。“我们的老师非常鼓舞人心，她真的激发了我对科学的终生兴趣。”

11岁时，他的父亲在明尼阿波利斯的一家科技公司找到了一份新工作，全家从新泽西州搬到了明尼苏达州，这被证明是一个艰难的调整。在选择大学时，哈内特决定去很远的地方，最终选择了俄勒冈州波特兰市的里德学院，这所学校鼓励人们在学术和个人发展方面有很大的独立性。

“里德真的很自由，”他回忆道。“它让你成长为你想成为的人，并尝试一些事情，无论是你想在学术上还是艺术上做的事情，也是你想成为的那种人。”

在大学期间，哈内特喜欢生物学和英语，尤其是莎士比亚。他的英语教授鼓励他进入科学领域，认为该领域需要能够创造性地写作和思考的科学家。他对神经科学很感兴趣，但里德没有神经科学系，所以他选了他能找到的最接近的科目——神经药理学课程。

“那堂课完全让我大吃一惊。想想所有这些药理学制剂，无论是来自植物还是合成的，还是其他什么，都会影响你的大脑如何运作，这真是令人着迷，“哈内特说。“那堂课真的改变了我对自己想做什么的整个思考方式，那时我决定要成为一名神经科学家。”

为了完成他的高级研究论文，Harnett加入了俄勒冈健康科学大学（OHSU）的电生理学实验室，与研究听觉系统中突触传递的Larry Trussell教授合作。那个实验室是他第一次建造并使用膜片钳装置来测量神经元活动的地方。

大学毕业后，他在明尼苏达大学的一个实验室担任了一年的研究技术员，然后回到OHSU在另一个研究实验室工作，研究离子通道和突触生理学。最终，他决定去读研究生，最终进入德克萨斯大学奥斯汀分校，他未来的妻子在那里学习公共政策。

在他的博士研究中，他研究了释放神经调节剂多巴胺的神经元，以及它们如何受到滥用和成瘾药物的影响。然而，一旦他完成学位，他决定回到研究计算的生物物理学，这是他在霍华德休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区与杰夫·马吉（Jeff Magee）一起从事博士后研究的。

广泛的方法

2015年，当他在麻省理工学院麦戈文研究所（McGovern Institute）建立实验室时，哈内特开始扩大他的关注点。虽然离子通道和突触的生理学构成了他实验室大部分工作的基础，但它们将这些过程与神经元计算、皮层回路操作和更高层次的认知功能联系起来。

在神经元之间流动的电脉冲，使它们能够相互交流，是由控制钾和钠等离子流动的离子通道产生的。在 2021 年的一项研究中，Harnett 和他的学生发现，与其他哺乳动物的神经元相比，人类神经元的这些通道数量比预期的要少得多。

这种密度的降低可能已经进化到帮助大脑更有效地运作，使其能够将资源转移到执行复杂认知任务所需的其他能量密集型过程。Harnett的实验室还发现，在人类神经元中，电信号在沿着树突流动时会减弱，这意味着树突的小部分可以形成在神经元内执行单独计算的单元。

Harnett的实验室最近还发现，令他们惊讶的是，成年人的大脑包含数百万个“沉默的突触”——这些不成熟的连接在被招募以帮助形成新记忆之前一直处于不活跃状态。这些突触的存在为成人大脑如何能够不断形成新记忆和学习新事物而不必修改成熟的突触提供了线索。

其中许多项目都属于Harnett在开始他的教职生涯时并不一定设想自己从事的领域，但它们自然而然地源于他想要采取的广泛方法来研究大脑皮层。为此，他试图将那些想要在不同层面上工作的人带到实验室——从分子生理学到行为和计算建模。

作为一名研究电生理学的博士后，Harnett大部分时间都独自使用他的膜片钳装置和双光子显微镜。虽然这种类型的工作仍然在他的实验室进行，但整体氛围更加协作和欢乐，作为导师，他喜欢给他的学生广泛的回旋余地，让他们提出适合实验室整体使命的项目。

“我有一个令人难以置信的、充满活力的团队，与他们一起工作真的很棒。我们采用广泛的方法来研究大脑皮层，我认为这就是它的乐趣所在，“他说。“与我能够招募的人一起工作——研究生、技术人员、本科生和博士后——可能是对我来说最重要的事情。”