Neuron：解读大脑的认知地图：海马-前额叶环路如何通过记忆“重演”来帮助空间学习和决策
2019-11-07 佚名 BioArt
动物包括人类每天面对着复杂多变的环境，需要通过学习和记忆辨别正确的路径、作出正确的选择，从而找到目标（例如获取食物）。在上个世纪60年代，John O’Keefe及其同事发现海马体（hippocampus）中的神经元会在大鼠探索环境的过程中经过特定位置时变得活跃、发放动作电位，这些神经元被称为“位置细胞”（place cell）。他提出，不同的海马神经元在不同的位置和环境中依次发放，可以帮助大脑构
动物包括人类每天面对着复杂多变的环境，需要通过学习和记忆辨别正确的路径、作出正确的选择，从而找到目标（例如获取食物）。在上个世纪60年代，John O’Keefe及其同事发现海马体（hippocampus）中的神经元会在大鼠探索环境的过程中经过特定位置时变得活跃、发放动作电位，这些神经元被称为“位置细胞”（place cell）。他提出，不同的海马神经元在不同的位置和环境中依次发放，可以帮助大脑构建出各种认知地图（这项工作获得了2014年诺贝尔生理学或医学奖）。有趣的是，当动物跑过一个特定的路线、而后停下来休息或睡眠时，这些位置细胞会按照与跑动时相同（forward）或相反的（reverse）次序、以比跑动时快得多的速度反复发放。这种现象被称为记忆重演（memory replay），就像大脑在快速重播动物的经验 。这种重播对于动物适应多变的环境和寻找目标有什么意义？正向记忆重演（forward replay）与反向重演（reverse replay）的功能有区别吗？
2019年10月30日，来自布兰迪斯大学（Brandeis University）的研究人员以长文形式在Neuron杂志上发表了题为Dynamics of Awake Hippocampal-Prefrontal Replay for Spatial Learning and Memory-Guided Decision Making的论文（通讯作者是助理教授Shantanu P. Jadhav和博士生唐文博，共同一作为博士生Justin D. Shin和唐文博），揭示了海马-前额叶（prefrontal cortex）环路是如何通过记忆重演来帮助动物记住它过去经过的路径、以及在多个可选的路径中作出正确的选择。Jadhav认为：“这些发现揭示了我们的大脑中存在内在的心理穿梭和重演过程，这个过程可以帮助动物从过去的经验中学习到达目标的正确路径，进一步利用这些经验和记忆计划将来的行动。”这些结果帮助我们更好的理解大脑是如何在神经元水平上实现多个脑区的协作，从而帮助我们实现包含学习和决策的复杂的认知过程。
在早前的研究中，Jadhav以及UCSF的Loren Frank课题组发现海马的记忆回放往往伴随着一种高频脑电波震荡，称之为尖波涟漪（sharp-wave ripples；SWRs）；如果在大鼠学习需要工作记忆（working memory）、面对多个选择的迷宫寻路任务中使用电刺激打断SWRs中的记忆重演，这一学习过程会变得缓慢。并且他们发现在海马的记忆重演时，前额叶（位于大脑皮层最前方的部分，与工作记忆和决策密切相关）中神经元的活动会和海马的活动相互协同 。但是在此项新工作发表前，这种记忆重演以及记忆重演时的海马-前额叶协同活动是否能真正影响动物的学习和决策仍然不清楚。
为了回答这些问题，研究人员训练大鼠在一个W形状的迷宫中学习寻路，同时在整个学习过程中，连续追踪了海马和前额叶的同一群神经元。这种持续的神经元追踪使得研究人员可以探索神经元的表征是如何在学习过程中变化的。在这个W迷宫的寻路任务中，大鼠需要学会两个不同的规则来获得奖励（一个简单的任务和一个复杂的任务）：在简单任务中，动物仅需要记住开始和结束的位置就可以成功的寻路并获得奖励；在复杂任务中，动物需要记住它刚刚跑过的路径，然后在两条可选路径中选出尚未经过的路径，从而得到奖励，这一过程需要工作记忆。研究人员成功地让大鼠完成同一天内的8个训练单元，并学会这两个寻路规则。
在这个任务中，绝大多数记忆重演现象发生在动物停留在奖励位点、刚完成一个路径将要选择下一个路径的时候。研究人员感兴趣于这些记忆重演事件和动物过去以及将来的选择有何关系。有趣的是，他们发现当海马的记忆重演事件是反向地回放经验时（reverse replay；类似于倒带），这些事件回放的是过去所有可能的路径；但当正向回放时（forward replay；类似于快进），这些事件表征的是将来所有可能路径。由于动物在不同的奖励位点时有着不同的过去和将来路径，而这个正向回放和反向回放的区别相当鲁棒，因而研究人员可以通过正向和反向回放的路径内容准确的预测动物当前停留的位置。
研究人员进一步分析了海马正向和反向记忆回放的内容会不会随着学习变化。他们发现，在动物学习简单任务时，正向和反向回放的内容确实随着动物学习阶段的不同而不同。在学习的早期，反向回放偏向于回放动物之前实际经过的路径，因而研究者可以通过海马反向回放的内容准确的预测出动物过去的选择。相反，正向回放对应动物接下来会选择的路径，但这种对应关系直到学习后期才变得明显。海马反向和正向回放在学习过程中的动态过程说明反向记忆回放对动物记住过去的路径来进行学习非常重要，而正向回放对动物学会后进行行动规划非常重要。
不同于学习简单任务，当动物学习复杂的、需要工作记忆的任务时，海马记忆回放的内容在不同的学习阶段都比较相似：反向回放过去所有可能的路径，正向回放将来所有可能的路径。因而海马的记忆重演回放了所有可能的选择，而并非只是动物的实际选择。于是研究人员进一步分析了海马记忆重演时前额叶的神经元活动，发现这些神经元偏好地响应动物实际选择的路径，而对其它备选的路径响应较弱。这提示前额叶的功能可能是从海马同时表征的多个备选中做出正确的选择。
综上所述，该研究利用一天内连续电生理跟踪记录神经元信号和对应的动物行为数据，首次清楚区分了海马体反向和正向记忆回放在空间学习记忆任务中的不同功能：反向记忆回放有助于权衡和记住过去能到达目标的路径，而正向记忆回放对计划将来的行动有重要意义。特别的，该工作首次定量刻画了前额叶与海马的协同记忆重演，并证实了其与动物行为选择的关联，指出了前额叶参与空间学习的一种可能机制。记忆重演在多个物种包括人类中普遍存在，而该研究指出记忆重演是促进多个脑区交换记忆信息的关键神经基质（neural substrate），有助于我们理解生物体如何进行学习、计划、选择和推演。
原始出处：
Shin JD1, Tang W2, Jadhav SP3.Dynamics of Awake Hippocampal-Prefrontal Replay for Spatial Learning and Memory-Guided Decision Making.Neuron. 2019 Oct 8. pii: S0896-6273(19)30785-8. doi: 10.1016/j.neuron.2019.09.012. [Epub ahead of print]
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