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腦智卓越中心揭示大腦在工作記憶中存儲信息的神經機制

2020-03-06 腦科學與智能技術卓越創新中心
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  3月5日,《神經元》期刊在線發表了題為《無顆粒島葉皮層瞬時性神經元活動調控學習新任務時的工作記憶存儲》的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室李澄宇研究組完成。

  工作記憶是指大腦在秒級尺度內存儲和操縱信息的一種基本認知功能,它不僅是人們日常生活的基本需求(如圖1A),更是眾多人類獨有的高級認知功能的基礎,比如閱讀、思考、語言的學習等。大腦如何在工作記憶中存儲信息呢?經過大約半個世紀的研究,科學家認為存在兩種可能的神經機制(如圖1B):1,持續性編碼;2,瞬時性編碼。前者認為大腦只需要通過少量的神經元持續性放電就可以存儲信息,而后者認為大腦更傾向于調用大量的神經元通過瞬時性放電(在單個細胞水平)來存儲信息。雖然,前人的相關性研究(基于電生理記錄)表明這兩種信息編碼的方式都可能發揮作用,但是由于以往實驗技術條件的限制,還沒有研究直接比較這兩種信息編碼方式與工作記憶行為調控的對應關系。因此,在本研究中,研究人員綜合應用行為學、光遺傳、電生理等手段對這一問題展開了深入研究。

  首先,研究人員利用頭部固定的小鼠成功地開發了一個基于嗅覺刺激的工作記憶行為范式(如圖1C和1D)和一套高效穩定的行為訓練系統(圖2A1,經過5天的訓練,行為表現正確率可以達到80%以上)。更進一步,通過反證法,研究人員構思出一組可行性的實驗方案,即通過下調(圖2A 2)或者上調(圖2A 3)小鼠的行為水平,進而監測瞬時性和持續性神經元發生怎樣的變化(圖2A4-A5)。

  研究人員發現通過光遺傳的手段抑制無顆粒島葉皮層(agranular insular cortex,aAIC)在延遲期的電活動可以顯著地下調小鼠在學習期執行工作記憶任務的行為表現水平。結合三組對照實驗,他們證實了aAIC腦區主要參與工作記憶的短期信息存儲過程,而不是編碼感覺信息、動機水平或運動控制等。更進一步,研究人員發現抑制從內側前額葉皮層(medial prefrontal cortex, mPFC)到aAIC的投射(圖2B)也可以有效地下調小鼠的行為表現水平(圖2C),以及瞬時性神經元的比例,但并沒有看到持續性神經元的比例發生一致的變化(圖2D)。相反,激活從mPFC到aAIC的投射(圖2E)可以顯著地上調行為水平(圖2F)和瞬時性神經元的比例(圖2G)。這個結果提示,瞬時性神經元,而非持續性神經元,與小鼠執行工作記憶的行為表現水平有更緊密的關聯,即瞬時性編碼的神經機制更有可能負責在工作記憶中存儲信息。

  為了進一步驗證這一結論,研究人員設計了第二組實驗(如圖3A)。這組實驗的基本邏輯在于通過在工作記憶的過程當中人為地加入不同的干擾性刺激,并監測瞬時性和持續性神經元與小鼠抵抗外部干擾刺激能力的關聯性,進而推測是哪種神經元類群負責在工作記憶中存儲信息。結果顯示,當小鼠成功地抵抗(圖3C)較弱的干擾時(圖3B),瞬時性神經元的比例顯著增加(圖3D)。相反,如果沒能有效地抵抗(圖3F)復雜的干擾性刺激時(圖3E),瞬時性神經元的比例也沒有出現相應的上升(圖3G)。而在兩組實驗中持續性神經元的比例都沒有發生任何顯著的變化。這一結果提示,瞬時性神經元可以用于抵抗外部干擾性刺激從而保證大腦能夠準確地存儲任務相關信息,進而成功地執行任務。

  結合以上兩組實驗,該工作有力地論證了瞬時性神經元,而非持續性神經元,是負責在工作記憶的過程中存儲信息的關鍵組分,即在當前實驗條件下,大腦更傾向于通過瞬時性編碼的神經機制在工作記憶中存儲信息。

  該項工作主要由博士研究生朱嘉和成锜,在研究員李澄宇的指導下共同完成,助理研究員范紅梅、工程師陳禹雷、實驗師侯瑞青、陳兆琴也做出了重要貢獻。本工作得到國家自然科學基金委杰青項目、上海市科技重大專項、中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金重大儀器研制項目、中科院重點前沿項目、中科院儀器裝備項目、上海市科委重點項目、中荷腦認知項目等的資助。

  圖1 (A1-A2) 一個生活中需要調用工作記憶功能的例子和相關的科學問題(A3)。(B)存在爭論的兩種工作記憶信息存儲機制。(C)頭部固定的小鼠行為訓練裝置。(D)一個基于嗅覺刺激的工作記憶行為范式。

  圖2 (A1-A5)實驗設計方案。(A4)瞬時性和持續性神經元的定義。紅線和藍線分別代表同一個神經元對于不同的樣本氣味(即圖1D中的S1/S2氣味)的反應水平。(B)通過光遺傳的手段抑制mPFC到aAIC的投射的模式圖。(C)抑制mPFC到aAIC的投射的行為學效果。(D)抑制從mPFC到aAIC的投射對于不同神經元類群的比例的影響。(E-G)激活從mPFC到aAIC的投射的行為學和電生理結果,圖例同(B-D)。

  圖3 (A)實驗設計方案。(B) 具有簡單的干擾性刺激的行為范式。(C)干擾性刺激對于行為表現水平的影響。(D)干擾性刺激對于瞬時性神經元比例的影響。(E-G)復雜的干擾性刺激對于行為表現水平和瞬時性神經比例的影響,圖例同(B-D)。

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