Cell | 大脑如何将经历转化为记忆?研究揭示海马CA3区编码记忆新机制

文摘   2024-10-27 23:55   浙江  

大脑如何形成和储存记忆?


在大脑中,海马体被认为是记忆形成的关键区域,特别是其中的CA3区,就像记忆加工的中转站。当我们经历新事物时,CA3区的神经元会产生特定的活动模式,这些模式随后被转化为持久的记忆。但是,这个"中转站"究竟是如何工作的,一直是个未解之谜。

科学家们此前提出,CA3区可能通过一种叫做"吸引子动力学"的机制来储存记忆。这个概念可以这样理解:想象你把一个小球放在一个有凹陷的盘子里,不管你把球放在盘子的哪个位置,它最终都会滚到凹陷处并稳定下来。类似地,当我们试图回忆某件事时,相关的神经元活动会自动"滚向"并停留在特定的模式上,这就是我们回忆起的记忆。但是,CA3区是否真的使用这种机制,以及它是如何实现的,都需要进一步的研究证实。


2024年10月24日,美国霍华德·休斯医学研究所等研究团队在 Cell 期刊在线发表了一篇题为《海马CA3区支持记忆的神经动力学机制》的研究论文。研究人员发现海马CA3区通过独特的突触可塑性机制和外部输入更新形成稳定的吸引子动力学,从而支持记忆的形成和提取。


研究团队使用在体全细胞膜电位记录和光遗传学操控技术,在清醒小鼠中研究CA3区神经元的活动。他们记录了185个CA3锥体神经元,并通过操控来自内嗅皮层(EC)、齿状回(DG)和CA3自身的突触输入,结合计算模型分析了CA3区的神经网络动力学特性。



CA3场地神经元的空间编码特征




CA3区场地神经元的基本特征呈现出独特的活动模式。研究团队在头部固定的小鼠跑步机实验中,对185个CA3锥体神经元进行记录,发现约1/4(46/185)的神经元表现出场地特异性放电。这些神经元在特定空间位置不仅表现出动作电位发放率的显著增加,还伴随着膜电位的渐进式去极化和θ频率振荡幅度的增强,这三个特征都在相同的空间位置达到峰值。值得注意的是,研究者还观察到与中等持续时间后去极化相关的高频爆发放电。与CA1区不同,CA3的场地神经元活动在环境中呈现均匀分布,这种分布特性为形成稳定的吸引子动力学提供了有利条件。




对称性突触可塑性的发现




突触可塑性机制的研究揭示了两种关键现象。首先,研究者在14/185个神经元中观察到独特的长时程树突高原电位,这些自发的高原电位与新场地的快速形成或现有场地位置的改变密切相关,其持续时间是普通后去极化的6倍。其次,在70个神经元中进行的80次诱导性高原电位实验中,60个神经元表现出显著的双向膜电位变化(峰值ΔVm>2mV)。这种变化在高原电位周围±10秒内呈现对称分布,且变化程度与初始膜电位水平密切相关。




多重神经环路的功能分工




不同输入通路在场地形成中发挥着差异化作用。通过光遗传学技术,研究者分别抑制了三种主要输入并观察其效果。抑制CA3递归输入导致BTSP诱导的突触增强显著减少(对照组:4.57±1.29mV vs CA3抑制组:0.99±0.49mV,p=0.01),并产生高度不对称的BTSP诱导膜电位变化。而抑制齿状回输入对BTSP诱导的膜电位变化无显著影响(DG:4.17±1.13mV vs 对照组:4.57±1.29mV,p=0.95)。有趣的是,抑制内嗅皮层输入虽然不影响高原电位附近的膜电位增强(EC:5.38±0.67mV vs 对照组:4.57±1.29mV,p=0.87),但显著影响了高原电位之后的活动更新,且活动延迟与抑制强度呈显著相关(R2=0.40,p=0.002)。




网络动力学的计算验证




为验证实验发现,研究者建立了详细的计算模型进行分析。模型结果表明,对称性BTSP能在递归网络中产生稳定的吸引子动力学。特别是,这种网络在处理相关输入模式时表现出更高的存储容量。与传统Hebbian学习规则相比,BTSP在处理时间相关的活动模式时显示出明显优势。计算模型不仅支持了实验观察结果,还预测了网络在更复杂条件下的行为表现,为理解CA3区的记忆形成机制提供了理论基础。




总结




这项研究揭示了CA3区支持记忆形成的细胞和环路机制:CA3-CA3递归突触通过对称性BTSP形成稳定的吸引子动力学,而来自EC的输入则负责根据动物行为更新这种动力学。这种机制能够有效地存储和检索大量记忆模式,特别是在处理相关输入时表现出优越性。该发现为理解大脑记忆形成机制提供了重要见解。

论文链接
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01141-3

撰文|Coral
责编|Asher
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