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  • 加州大学揭示下托-海马环路如何控制对物体位置的记忆

    类别:工业技术       2019-09-25 | 260阅读       标签:

    来自加州大学的研究人员在Nature Neuroscience杂志上发表了题为CA1-projecting subiculum neurons faciliate object-place learning 的论文(通讯作者是来自 UC Irvine 的 Xiangmin Xu 教授和 UCSD 的 Douglas A. Nitz 教授,共同一作为Yanjun Sun和Suoqin Jin博士),给我们揭示了关联某个物体与其所在位置的神经环路机制。该研究发现并详尽阐述了一条海马脑区的神经环路,以及其是如何控制小鼠对物体位置的记忆。


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    因为海马体在学习,记忆,与空间导航中至关重要,研究人员首先利用基因编辑过的病毒对海马体进行神经环路示踪,从而发现并详细勾绘了这条非经典的神经环路,即从海马下托(Subiculum)到海马体CA1的逆向投射(下托-CA1环路)。称其为“非经典”是因为这种逆向投射有悖于科学家对于海马体神经网络连接模式的传统认知。虽然这种逆向投射曾被提出过,但由于技术上的限制,在过去的几十年里科学家一直没有办法确切的证明这种逆向投射的存在。而这项研究不仅从解剖与生理功能上证明了此环路的存在,并且精确得定位了其上游的神经信号输入源与下游的并行输出靶点。研究人员进一步发现,相对于普通下托神经元,这些投射到CA1的下托神经元在神经网络中有着与众不同的连接模式。例如他们从视觉皮层接收相当可观的信号并且在投射CA1的同时也投射到嗅周皮层(Perirhinal cortex)。综合这些相关脑区的解剖位置与功能,研究人员认为这种特殊的神经网络连接模式暗示了这些下托神经元在物体位置的神经编码与记忆中扮演重要的角色。


    根据这些推测,研究人员设计了一系列的行为学实验来测试小鼠对于物体及其空间位置的记忆。当研究人员利用化学遗传(Chemogenetic)的手段人为关闭下托-CA1环路的活动,小鼠就无法将一个物体与其所在的位置关联起来。有趣的是,这时的小鼠依旧可以识别出不同的物体,而且其在环境中的方向感并未受到影响。所以研究人员得出结论:下托-CA1环路是在神经网络中专门用来关联某个物体与其所在位置,而后整合这些信息并储存在我们的记忆中。更让研究人员意想不到的是,若用光遗传(Optogenetic)的手段人为增强下托-CA1环路的活动就可以显著强化小鼠对于物体位置的记忆。这就好像如果我在火车站只是瞥了一眼那邮筒,由于此感觉信息太短太弱,多数情况下我无法清楚地记得它的位置。但若强化了下托-CA1环路的功能,现在同样也只是瞥了一眼,我却可以牢牢地记住这个邮筒在火车站的什么位置。


    接下来,研究人员更深入的探寻了下托-CA1环路对于物体位置的记忆在认知方面的形成机理。由于CA1中的位置细胞(Place cell)会在环境中的特定位置提高自己的活动频率,并被认为在形成空间认知与记忆中举足轻重,研究人员利用先进的微型显微技术(miniscope)通过钙成像的方法在自由运动的小鼠中观察并追踪位置细胞的活动。结果发现,人为关闭下托-CA1环路会引起CA1位置细胞活动频率的改变(图1左),并打破位置细胞在特定物体与其位置关系上的活动模式(图1右),最终影响小鼠对物体位置的记忆。所以下托-CA1环路可能接收诸如视觉之类的信息后与位置细胞相互作用,从而专门将我们视觉识别的物体与其在环境中的位置关联起来并最终形成记忆。


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    这项研究从神经科学的角度详细阐释了下托-CA1环路是如何关联并整合感觉信息而后影响大脑对物体位置的认知与记忆。这最终将有助于我们解释生物体智能行为的产生。从临床医学的角度看,这项研究对于我们治疗与记忆相关的疾病也同样意义非凡。我们知道,下托与海马体在神经退行性疾病中都扮演重要的角色。例如下托在阿尔茨海默病(俗称老年痴呆症)中被发现是最早产生病变的大脑区域。而联系到阿尔茨海默病的早期症状,从找不到自己的东西到后来找不到回家的路,我们发现这些症状都与此研究描述的下托神经元的功能相吻合。因此,这对于深入了解大脑如何在正常情况下对物体位置进行编码从而阐明阿尔茨海默病的发病机理以及探寻适当的治疗手段都有着重要的指导意义。


    研究背景


    在日常生活中,我们经常使用环境中熟悉的物体或地标来定位和导航自己。例如,我和朋友约在火车站见面,但火车站很大,到了见面的时候就很可能找不到彼此。糟糕的是我又分不清楚东西南北。但如果这时朋友提供给你了一个你熟悉的物体或者地标的信息就会容易很多。比如,车站门口有个很显眼的绿色邮筒,我们在那里见。我们知道,生物体对环境的感知来自大脑中神经网络对外界信息的复杂处理,对物体位置的感知与记忆也不例外。在这里,我们可以通过视觉判断出那是一个绿色的邮筒。接下来我们会很自然地把绿色邮筒这个视觉信息与它所在的位置联系起来,即那是一个在火车站门口的绿色邮筒,而不是我家门口的那个。正常情况下,大脑会自动将这些不同类型的感知信息(绿色邮筒与火车站)根据其内在的联系整合起来并形成记忆。这在我们日常生活中非常重要也是生物体进行智能行为与决策的基石。但遗憾的是,时至今日我们尚不清楚大脑如何整合这些信息,例如如何将一个物体与其所在的位置关联起来。而在背后控制这些的神经环路机制就显得更加扑朔迷离。


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