PNAS︱揭示腹側(cè)海馬與前額葉皮層在社交信息處理中的差異性神經(jīng)機(jī)制
在復(fù)雜社交互動(dòng)中,大腦對(duì)社交個(gè)體的神經(jīng)編碼和有效區(qū)分,對(duì)社交進(jìn)程至關(guān)重要。這種區(qū)分不同社交個(gè)體的能力,使群居動(dòng)物能夠在合作或競(jìng)爭(zhēng)的社交場(chǎng)景中做出正確反應(yīng),例如準(zhǔn)確識(shí)別交配對(duì)象,或辨別潛在威脅性外來個(gè)體。腹側(cè)海馬(ventral hippocampus, vHPC)和前額葉皮層(medial prefrontal cortex, mPFC)作為社交行為調(diào)控的關(guān)鍵腦區(qū),雖已被證實(shí)均參與社交信息的處理,然而二者是否采用不同的神經(jīng)編碼策略,以實(shí)現(xiàn)社交個(gè)體的身份識(shí)別,目前仍不明確。
12月10日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院詹陽(yáng)研究員團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)雜志上發(fā)表了題為"Distinct neural dynamics in the ventral hippocampus and medial prefrontal cortex during social information processing"的研究論文。該研究整合在體多通道電生理記錄、信息論方法與神經(jīng)解碼分析等多種技術(shù)手段,揭示了vHPC與mPFC在社交信息處理中具有不同的神經(jīng)振蕩特性與群體編碼機(jī)制,并進(jìn)一步提示mPFC在社交信息表征中具有更強(qiáng)的編碼能力。
研究中,團(tuán)隊(duì)記錄了自由活動(dòng)小鼠在三箱社交互動(dòng)范式中vHPC與mPFC中的神經(jīng)元放電活動(dòng)(spike)和局部場(chǎng)電位(local field potential, LFP)。單神經(jīng)元放電頻率分析與群體解碼結(jié)果顯示,盡管在vHPC與mPFC中均存在對(duì)不同社交刺激表現(xiàn)出增強(qiáng)或抑制反應(yīng)的神經(jīng)元響應(yīng)群體,但兩個(gè)腦區(qū)的神經(jīng)元響應(yīng)比例是有差異的,且mPFC神經(jīng)元表現(xiàn)出更廣泛的選擇性。研究還進(jìn)一步分析了興奮性和抑制性神經(jīng)元對(duì)不同社交刺激的反應(yīng)模式。
為量化神經(jīng)群體對(duì)社交刺激的信息編碼能力,研究團(tuán)隊(duì)采用了香農(nóng)信息熵分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),mPFC所編碼的信息量顯著優(yōu)于vHPC?;跈C(jī)器學(xué)習(xí)的分類解碼分析進(jìn)一步表明,隨著納入分析的神經(jīng)元數(shù)量增加,mPFC的解碼準(zhǔn)確率始終高于vHPC。信息熵與貝葉斯解碼分析共同證實(shí),mPFC在表征不同社交個(gè)體時(shí)具備更高的信息含量與解碼準(zhǔn)確性。
該研究通過有線與無線雙記錄系統(tǒng),明確揭示了vHPC和mPFC在社交互動(dòng)中表現(xiàn)出頻段特異的神經(jīng)振蕩差異:vHPC主要表現(xiàn)為低頻伽馬(low gamma, 30-60 Hz)增強(qiáng);而mPFC則在高頻伽馬(high gamma, 60-120 Hz)活動(dòng)更為顯著。這兩個(gè)腦區(qū)還表現(xiàn)出明顯差異的相位-振幅耦合模式,表明兩個(gè)腦區(qū)在振蕩機(jī)制上存在差異,提示二者在信息處理中可能采用不同的計(jì)算策略。
此外,研究還發(fā)現(xiàn),將spike與LFP的特征相結(jié)合,能進(jìn)一步提升對(duì)社交刺激的解碼準(zhǔn)確率。典型相關(guān)分析(canonical correlation analysis, CCA)顯示,mPFC中high gamma與神經(jīng)群體動(dòng)態(tài)的相關(guān)性最強(qiáng)。進(jìn)而,基于單試次的貝葉斯解碼顯示,mPFC具有更為清晰且穩(wěn)定的社交信息表征。最后,基于信號(hào)-噪聲夾角的表征幾何學(xué)分析表明,mPFC神經(jīng)群體表征的信噪夾角更大,說明其結(jié)構(gòu)更有利于信息的讀取與判別。
綜上所述,本研究揭示了vHPC與mPFC在社交信息處理中具有互補(bǔ)性功能分工機(jī)制:vHPC可能負(fù)責(zé)初步的社交線索檢測(cè)與社交記憶編碼;mPFC則作為高級(jí)整合中樞,具有更強(qiáng)的社交個(gè)體辨別與社交信息表征能力。該發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)“社交腦”腦區(qū)功能的理解,也為自閉癥、精神分裂癥等社交功能障礙疾病的機(jī)制研究與干預(yù)策略開發(fā)提供了新的理論框架。
博士生汪鑫年是本項(xiàng)工作的第一作者,詹陽(yáng)研究員是本項(xiàng)工作的獨(dú)立通訊作者。詹陽(yáng)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于運(yùn)用交叉學(xué)科方法解析大腦信息處理機(jī)制,探索神經(jīng)疾病病理機(jī)制,以及社交行為與神經(jīng)環(huán)路的機(jī)制研究。該項(xiàng)目受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委等資助。

圖1?社交過程中,vHPC和mPFC的神經(jīng)元差異化響應(yīng)

圖2?與vHPC相比,mPFC的社交編碼能力更強(qiáng)

圖3 spike-LFP協(xié)同解碼提高了對(duì)社交刺激的解碼準(zhǔn)確率
原文鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2516279122
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