Cell reports: 当你开小差的时候，你的大脑可能却在背课文

导语：走神或者白日梦往往被认为是一种注意力不集中的状态，尤其是对抑郁症患者存在明显的负面影响。不过白日梦也有它的正面作用——帮助人们进行短暂的放松和创意的发散。近日，研究人员发现，当这种普遍且频繁发生的心理现象发生时，海马体和新皮层之间的交流得到了相对加强，这有助于记忆相关连接的加强。

海马体（Hippocampus）位于大脑丘脑和内侧颞叶之间，左右半球各有一个，因其形似海马而得名，又称海马回、海马区。过去的研究表明，海马体主要负责学习和记忆，比如某个知识概念或事件经历在短时间内被重复提及，海马体就会将其转存入大脑皮层，形成永久记忆。海马体还有一定的空间定位作用，若其受损还将会导致想象力变差。

1957年加拿大的两位医生Scoville和Milner报告了一个经典病例。病人H.M.是一名电动线圈绕制工，因为药物无法控制癫痫症状，医生在他27岁时对他进行了内侧颞叶切除手术，其中包括了两侧的海马体。术后H.M.的癫痫症状得到有效控制，但出现了严重的遗忘症症状。H.M.仍能够记得早年发生的事，也能够形成新的程序性记忆（比如怎样坐上自行车之后知道怎样骑行，下水之后知道怎样游泳，以及学会对着镜子里的手和图熟练地绘制五角星），但无法形成新的陈述性记忆（比如记得自己的家庭地址是什么，昨天晚饭吃了什么，以及关于对着镜子绘制五角星的训练经历）。这则病例使得人们开始认识到海马体对记忆具有重要作用。到2003年，美国哈佛大学和纽约大学的科学家共同发表了对海马体的最新研究报告，正式确定了海马体是“帮助人类处理陈述性记忆的主要区域”。

图1 海马体的位置（图源：维基百科）

根据记忆巩固的经典模型，在人睡眠和安静清醒（quiet wakefulness）的时候，海马体会反复地激活，以加强新皮层回路中的记忆痕迹。这种再激活出现于海马体发生尖波涟漪（sharp-wave ripples，SWRs）期间。尖波涟漪是一种海马体自发释放的瞬时高频震荡，可发生在慢波睡眠期间和清醒期间。

压后皮层（retrosplenial cortex，RSC）是海马体的一个重要输出对象。由于压后皮层连接着海马体和皮层其他区域，因此被认为在协调海马体和新皮层方面发挥作用。为了研究压后皮层如何帮助处理SWR的相关输入，研究人员对清醒小鼠进行了神经元电位记录，结果发现和SWR对齐的膜电位调节虽然普遍但很微弱，而且脉冲发放非常稀少。那么大脑是如何听到海马体发出的这种“喃喃低语”的呢？奥斯陆大学的研究人员发现，在SWR前的一到两秒时间内，大脑的大部分区域变得沉默，以便大脑的其他部分能够更好地“聆听”海马体到底说了什么。研究结果以“Cell-type-specific silence in thalamocortical circuits precedes hippocampal sharp-wave ripples”为题发表于Cell Reports（图2）[1]。

图2 研究成果（图源：[1]）

研究表明：

01 RSC中广泛存在对SWR的微弱响应，且响应之前往往存在一段超极化的过程

研究人员就清醒小鼠背侧RSC所有层神经元记录RSC对SWR的响应电位。结果观察到63%细胞的电位在SWR前1-2秒的时间窗内发生缓慢的斜坡漂移，其中大多数细胞的斜坡漂移为超极化（细胞膜内电位为负的程度加深）。SWR期间的响应幅度都很小。（图3）

对背侧RSC第2/3/5层（L2/3/5）细胞进行测量、对RSC的第1层（L1）细胞树突中的钙离子进行成像，均得到了相似的结果，其中SWR前沉默在L1树突簇中表现得最为明显。

图3 RSC对SWR的响应电位的记录与结果（图源：[1]）

02 相对于兴奋性神经元，SWR前沉默在抑制性神经元中更普遍

研究人员进一步对L1中神经元（均为抑制性）和L/2/3中的控制着锥体细胞树突兴奋程度的抑制性神经元进行成像，结果显示在各类细胞中，SWR前兴奋程度减弱的细胞比例总是高于兴奋程度增强的细胞（图4）。

图4 SWR前沉默在抑制性神经元中更普遍（图源：[1]）

03 投射向L1的丘脑-皮层轴突也表现出SWR前沉默，这降低了L1神经元的活跃程度

由于SWR前沉默在锥体神经元树突和抑制性神经元中普遍存在，研究人员假设丘脑是这种沉默的共同源头，因而也应该会显示出SWR前沉默。成像结果表明，在SWR发生前后，丘脑向L1的投射活动显着降低（图5）。

图5 投射向L1的丘脑-皮层轴突也表现出SWR前沉默（图源：[1]）

随后，研究人员使用激光刺激丘脑。结果表明，在清醒小鼠中，丘脑的输入能够部分地驱动了L1神经元，而丘脑的沉默也足以引起L1神经元沉默，即L1神经元能够“拷贝”丘脑的输入变化。

RSC以外的皮层区域也受到丘脑的支配，研究人员因而推测RSC外的L1细胞也会显示SWR前沉默。成像结果证实了这一推测。RSC表层中的抑制性神经元（L1均为抑制性神经元）活跃程度随着丘脑沉默而降低的现象并非个例，而是普遍存在于全体皮层中。

小结

研究人员推测，丘脑对RSC表层的输入减少具有双重作用：（1）这种沉默使得丘脑暂时失去了传入信号的功能，降低了对皮层-皮层微弱相互作用的干扰；（2）丘脑和其他可能的皮层下输入的沉默使得树突抑制减弱。这些效应可能解释了海马体的“低语”是如何在SWR期间成功加强新皮质连接的。

图6 丘脑皮质输入和抑制的减少，促进锥体树突中SWR相关活动的传播（图源：[1]）

动物在清醒期间会间歇性地抽离出周围的感官环境——比如做白日梦——这种状态的转换伴随着皮层活动的改变，使得皮层与皮层下结构不时在功能上发生分离，这或许使得皮层能够免于环境的打扰，更专注于记忆的塑造。不过，这项研究并没有针对记忆相关地行为任务进行探索，还需要进一步的研究来证明丘脑沉默以及其在RSC中的效应对于记忆巩固是否是必要的。

原始出处：

Chambers， A.R.， C.N. Berge， and K. Vervaeke， Cell-type-specific silence in thalamocortical circuits precedes hippocampal sharp-wave ripples. Cell Rep， 2022. 40(4)： p. 111132.