2021年11月8日功能
海马体的重新激活可以巩固长期认知地图
海马体是大脑中的一个区域，在长期记忆的编码中起着关键作用。除了有助于事件相关记忆的形成，这个大脑区域还支持所谓认知地图的创建。这些是世界的心理地图，指导人类在已知的环境中航行;例如，告诉他们如何从一个地方到另一个地方。
过去的神经科学研究发现，当人类和动物探索附近空间时，海马位置细胞(即按顺序编码相关信息的神经元)倾向于在探索后“重播”相同的活动序列。这个迷人的过程类似于人类倒带和重放他们在老式卡式磁带上录制的歌曲的方式。
哥伦比亚大学医学中心(Columbia University Medical Center)的研究人员最近开展了一项研究，进一步调查了海马体的再激活模式，方法是在小鼠完成空间奖励学习任务和随后休息时，检查小鼠大脑中的海马体定位细胞。他们的论文发表在自然神经科学的研究表明，海马体中的再激活模式在巩固无偏认知地图的过程中起着至关重要的作用。
“有趣的是，与探索相关的地点序列不同，海马体中连续的再激活事件发生在不活动的时期，即使在与回放的环境不同的环境中也会继续发生，”该研究的首席研究员Andres D. Grosmark告诉《医学快讯》。bob游戏它们发生的时间也比与探索相关的序列要快，例如，一个在探索过程中耗时10秒的序列可能只需要半秒就可以重放。”
海马神经元似乎在进行虚拟的精神旅行，这一事实表明，它们实际上可能是在“排练”受试者在探索周围环境时所学到的空间序列。神经科学家因此假设，再激活模式有助于使新的记忆永久，这一过程被称为内存整合。
“重要的是，并不是所有的海马表现都是永久的，事实上，即使在完全相同的环境中，一些神经元对空间的编码是稳定的，而其他神经元则每天都在改变他们的空间选择性，”Grosmark说。“我们假设，单个神经元参与的回放越多，它们的表征就会越持久、越稳定。”
为了验证他们的假设，格罗斯马克和他的同事必须克服一系列的技术限制。更具体地说，到目前为止，神经科学家既可以详细研究记忆回放(即海马体中的再激活模式)，也可以监测海马体在几天内的一般变化。为了研究海马神经元参与的回放量是否会影响它们所创造的神经表征的稳定性，研究人员必须同时研究这两个方面。因此，他们采用了两种方法来研究小鼠的长期记忆，即钙成像和电生理学。
Grosmark说:“这使我们能够利用电生理学的能力来观察非常快的时间尺度的动态，包括回放，以及与钙成像技术相关的几周内跟踪神经元群体的能力。”“在我们的研究中，我们将钙成像和电生理学结合起来，在两周的时间里追踪老鼠大量海马神经元空间记忆的形成和巩固。”
研究人员使用的第一种方法是钙成像，这是一种显微镜技术，可以让科学家通过光学检测神经活动。钙显像使用病毒技术使神经元表达对钙敏感的荧光团，使它们在激活时短暂地改变颜色。
格罗斯马克说:“通过使用一些非常奇特的光学和激光，我们可以跟踪醒着的、行为正常的老鼠体内大量神经元的活动。”“钙成像的一个关键优势是，因为你是在观察神经元，你可以在很长一段时间内跟踪它们。”
Grosmark和他的同事采用的第二种技术叫做神经元电生理学，需要使用非常小的电线来记录大脑内部的电活动。测量这种电活动使神经科学家能够监测发生在特定大脑区域或整个大脑的变化。
“这种技术有两个关键优势，”Grosmark解释道。“首先，它非常快速地记录电信号，使我们能够非常快速或非常短的观察到大脑活动的变化。其次，几十年使用电生理学的经验允许我们使用观察到的电活动解码大脑状态，例如线上和线下状态。”
大脑活动可以分为两大类:在线活动和离线活动。当人类或动物与周围的世界积极互动时，例如，当他们探索周围环境或完成一项任务时，就会出现在线状态。另一方面，离线状态是指人类和动物脱离世界的时期。
“离线状态的一个例子是睡眠;然而，我们在研究中调查的离线状态是自发发生的‘安静休息’期，当老鼠是醒着的，但安静地坐着，”格罗马克说。“除了外在的行为差异之外，在线和离线状态也可以很容易地通过在这些状态中观察到的独特的大脑活动振荡模式来区分。这些不同的大脑系统被认为支持不同的功能。”
由于学习通常与对环境的积极探索相关联，它被认为发生在在线状态。另一方面，离线状态被认为对巩固探索过程中获得的记忆和知识很重要(即在线状态)。
格罗马克解释说:“虽然我们同意这个总体框架，但我们的研究结果表明，与在线状态相比，离线状态在选择哪些记忆成为永久记忆方面发挥了积极作用，因此在学习中发挥了补充作用，而不是简单地被动巩固记忆。”
在过去的几十年里，越来越多的神经科学研究探索了奖励行为的记忆是如何在大脑中加强的。与之前的理论相反，格罗斯马克和他的同事们假设，为了支持灵活行为的学习，大脑的运动能力会增强大脑还应包含在获取时没有明显奖励价值的信息。
格罗斯马克说:“例如，当我们在一个陌生的城市里散步时，我们可能会发现自己反复地从a点走到b点。然而，在走这条路线的许多次中，我们慢慢地建立了一个关于中间所有点的详细地图，即使我们从未真正停下来欣赏它们。”“反过来，当我们的计划发生变化，我们想从A到C时，我们悄悄建立的这个‘潜在’地图可能会证明自己真的很有用。此外，学习不是在真空中发生的;它发生在与周围世界接触和脱离的持续循环中，对应于我们所说的在线和离线状态。”
在他们的实验中，研究人员观察到招募海马神经元因为学习后再激活事件实际上预测了他们在许多天后的长期稳定性。此外，这种巩固效应只在远离动物被奖励位置的空间表示中被观察到。这表明离线记忆巩固有选择性地强化了行为上不那么重要的神经表征，因此容易被遗忘。
“我们真的很兴奋，我们的研究导致了对这些不同的投入和不投入状态在学习中扮演的角色的新见解;这有助于我们找到回到重要地点的路，也有助于我们灵活地到达意想不到的新目的地，”格罗马克说。
这些发现可以显著提高目前对动物和人类如何随着时间的推移巩固他们所处环境的心理地图的理解。在未来，他们可以为进一步研究海马体的再激活模式铺平道路，这可能导致新的重要发现。
“记忆巩固似乎在学习中发挥着独特而积极的作用，这一事实为研究长期记忆内容是如何形成的开辟了令人兴奋的途径，”格罗斯马克补充道。“我们现在计划揭示这种离线选择过程背后的神经回路机制，并研究它们如何在影响长期记忆的精神疾病中变得失调。”
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