Neuron | 王成團隊等聯(lián)合揭示海馬編碼時空信息機制
海馬體作為情景記憶的關(guān)鍵腦區(qū),海馬體能夠編碼空間和時間信息,對于情景記憶至關(guān)重要。然而,空間和時間表征在海馬記憶系統(tǒng)中的相互作用機制仍然不明確。
9月5日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦認知與腦疾病研究所王成研究員團隊和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳小菁助理教授團隊,聯(lián)合在Neuron雜志發(fā)表題為“Integration and competition between space and time in the hippocampus”的研究論文,首次報道了:1)海馬神經(jīng)元在多個一維導(dǎo)航任務(wù)中能同時編碼空間和時間信息;2)空間編碼與時間編碼之間存在負相關(guān)性。該研究揭示了單個海馬神經(jīng)元對空間-時間編碼的競爭-整合機制,為理解以時空信息為背景的情景記憶表征提供了重要的神經(jīng)基礎(chǔ)。

文章上線截圖
早期研究發(fā)現(xiàn),海馬體中存在位置細胞和時間細胞,可以表征生物體在環(huán)境中的位置和特定時間段內(nèi)的某個時刻。當(dāng)使用不同的時間間隔時,時間細胞可能出現(xiàn)保持不變、重新計時,或按比例重新調(diào)整的情況,從而實現(xiàn)對時間體驗的靈活表征。位置細胞和時間細胞構(gòu)成了情景記憶中空間和時間背景信號的可能神經(jīng)基礎(chǔ)。
然而,海馬神經(jīng)元在時空連續(xù)體中表征空間和時間的程度以及時空表征如何相互作用仍然是未解之謎。大多數(shù)傳統(tǒng)研究在不同任務(wù)階段分別考察空間或時間的表征。但是心理物理學(xué)研究表明,空間和時間的感知之間存在相互影響(如,距離判斷往往隨刺激的時間間隔增加而增加;同樣,時間判斷也隨刺激的空間間隔增加而增加),這引發(fā)了關(guān)于海馬表征中是否存在類似交互作用的問題。
王成研究員和陳小菁助理教授長期從事海馬相關(guān)腦區(qū)的空間和時間信息處理的神經(jīng)機制的研究。團隊的前期工作報道了外側(cè)內(nèi)嗅皮層和內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層分別基于自我中心和世界中心參考系編碼空間信息(Science?2018),壓后皮層對多場景多物體空間感知的自我中心編碼及微環(huán)路整合機制(Neuron 2024),以及外側(cè)內(nèi)嗅皮層的多尺度時間編碼與任務(wù)經(jīng)驗的關(guān)系(Nature 2018)。為了進一步研究空間信息與時間信息編碼的相互作用機制,團隊設(shè)計了多種虛擬現(xiàn)實導(dǎo)航任務(wù)及現(xiàn)實世界任務(wù),使用在體單光子顯微鏡技術(shù),記錄和研究了不同運動速度下海馬CA1腦區(qū)神經(jīng)元的時空表征。

研究示意圖
研究發(fā)現(xiàn),不論是純粹的空間導(dǎo)航任務(wù)(固定距離長度的運動,沒有明確的時間信息線索)還是純粹的時間感知任務(wù)(固定時間周期的運動,沒有空間視覺輸入線索),海馬CA1的許多神經(jīng)元存在空間-時間信息的共同表征,即在同一個任務(wù)里可以同時表現(xiàn)為位置細胞(編碼跑道中的具體位置)和時間細胞(編碼從起始位置開始的已逝運動時間)。此外,時間表征能夠捕捉行為任務(wù)中時間結(jié)構(gòu)的相似性,可能有助于遷移學(xué)習(xí)。這些結(jié)果提供了位置細胞和時間細胞的統(tǒng)一處理,并與基于海馬體時空框架組織情景記憶的理論相一致。
研究還發(fā)現(xiàn),海馬的空間編碼與時間編碼之間存在競爭關(guān)系。例如對于某些位置細胞,偏好空間位置與已逝時間呈負相關(guān)關(guān)系,即在更短的時間周期下位置場會往后發(fā)生位移。同樣,對于某些時間細胞,偏好時間與行進距離之間也存在負相關(guān)關(guān)系。這種競爭性的負相關(guān)性可以顯著增強另一個維度的信息量。這些結(jié)果表明,空間和時間編碼存在競爭-整合機制,符合不同腦區(qū)中認知變量的多重編碼,可能作為時空軌跡或背景更好地服務(wù)于情景記憶。
南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生陳士杰和中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦認知與腦疾病研究所助理研究員程寧為論文共同第一作者,王成研究員和陳小菁助理教授為論文共同通訊作者。該研究是在國家自然科學(xué)基金面上項目、科技部腦計劃重大專項、廣東省自然科學(xué)基金項目、深圳市抑郁障礙精準診療重點實驗室等資助下完成。
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