Science: 快速追踪新皮质:后顶叶皮层的记忆印迹

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来自德国蒂宾根大学的心理学和行为神经生物研究所的S. Brodt等在Science期刊上发表了在后顶叶发现记忆印迹的相关研究。记忆系统巩固模型假定了一个快速学习的海马存储区和一个缓慢发展、稳定的新皮层（neocortical）存储区。因此，早期大脑皮层对记忆的研究主要反映了海马驱动（hippocampus-driven）的编码活动的在线恢复（online reinstatement）。相反地，本研究人员发现快速学习能够在人类后顶叶皮层中产生持久性记忆印迹。本研究采集了物体位置学习任务下弥散加权磁共振成像（diffusion-weighted magnetic resonance imaging, DW-MRI）和脑功能活动，并以此探究大脑微观结构的可塑性。研究结果发现，本研究在学习后的1小时就检测到新皮层的可塑性，并发现该皮层具有学习特异性、能够进行正确回忆，并且与记忆相关功能活动重叠。同时，该微观结构的变化持续了12个小时以上。研究结果表明新的记忆印迹可以迅速地被编码到后顶叶皮层。

关键字：记忆，后顶叶皮层，新皮层，DWI

系统记忆的巩固通常被认为一种神经重新组织的缓慢过程。最近发现表明后顶叶皮层（posteriorparietal cortex）在快速学习中能够获得记忆的表征。目前尚不清楚这些早期发现是否超越了先前活动的在线恢复（online-reinstatement），或者它们是否来自一个真正的新皮层记忆印迹。其中，记忆印迹有四个特征：与特定的经验相关，引起神经机制的持久变化，长时间处于休眠状态，能够唤醒记忆。

为探究上述问题，本研究采用了object-location association任务，该任务具有四次编码-回忆（encoding-recall）的任务重复。然后，本研究在该任务范式下采集了两个session的功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和弥散加权磁共振成像，然后在此基础上探究新皮层区域对记忆的贡献和识别产生记忆印迹的位置。首先，在全脑分析中，本研究探查了哪些脑区可以表征记忆激活的变化。

本研究发现双侧楔前叶、沿背侧视觉通路的区域、小脑、丘脑和运动区在重复检索中存在依赖经验和显著增加的响应（在第一个session中，楔前叶的响应线性增加：如图1A所示）。其中，楔前叶对编码刺激的显著增加的响应持续了12个小时以上(,如图1B所示）。在重复检索（retrieval repetitions）过程中，记忆表现仅与后顶叶区的脑功能活动之间存在显著相关（, 如图1C所示）。本研究在海马感兴趣区分析中未发现显著相关，但在第一个任务session中的编码期间，本研究观察到随之而来的记忆效应。该结果与早期解码中的海马作用保持一致。此外，经过严格的联合分析，本研究发现只有楔前叶同时满足上述所有条件（如图1D所示）。最后，本研究采用了多变量分析来评估楔前叶的脑功能活动是否对刺激内容具有特异性。研究结果表明，在记忆编码过程中，楔前叶可以编码刺激的类别信息，同时也可保存检索信息（retrieved information）。针对该区域处理的信息类型这一问题，本研究利用了情景记忆和语义记忆间的关联性。楔前叶集成在与记忆相关的大脑网络中，并且位于多个感觉通路的交汇处。事实上，顶叶皮层在整合信息到已有的模式（schemas）中起着重要作用，同时也被认为是语义系统中重要节点。

图1 记忆恢复期间经验依赖、持续性以及后顶叶活动的相关性

要符合记忆印迹（engram），记忆表征必须具有持久的结构可塑性。DW-MRI（特别是平均弥散度(mean diffusivity, MD)）可以衡量大脑微观结构的变化。虽然平均弥散度是一种间接的测量，但强有力的证据表明MD的降低可以反映依赖学习的可塑性的机制。MD降低的脑区出现了学习后突触密度、脑源性神经营养因子的表达和星形胶质细胞活化增加，上述表现与经验诱导（experience-induced）的结构可塑性密切相关。传统的观点认为在新皮层学习时相关改变需要长期频繁的海马活化，但本研究在学习后的90分钟内发现在沿着腹侧和背侧视觉通路的区域（尤其楔前叶）出现了显著的微观结构变化（MD降低），同时在海马区域未发现显著改变（如图2所示）。

为探究变化区域是否具有学习特异性，本研究将该变化与未进行学习条件的变化进行了比对。研究结果表明在学习诱导下，左侧楔前叶、左侧枕中回、左侧梭状回和双侧舌的微观结构均有显著改变。针对上述四个区域，本研究在原始MD平均值上进行了方差分析（ANOVA）以便验证学习条件下的MD改变的显著交互影响。原始、未平滑、被试原始空间的平均弥散度的分析进一步验证了上述发现。这些形态学变化也与记忆表现相关。结构可塑性高的受试者具有更好的记忆力（,如图2所示）。

图2 在新皮层学习引起迅速微结构变化

记忆印迹最后一个标准是能够长期保持。因此。本研究分析了学习后12个小时的MD变化。研究结果表明快速学习诱导的结构可塑性的所有区域都保持这些变化超过12个小时。其中，双侧楔前叶、沿背侧和腹侧视觉通路脑区以及额叶的MD都表现出显著的长期减少，同时上述变化未在对照条件下表现。原始MD的平均值分析进一步证实上述发现（如图3所示）。通过采用全脑联合推断分析，本研究进一步验证了楔前叶、枕中回和舌回具有结构的快速和持续的依赖学习的结构可塑性。同时，本研究表明，快速学习诱导的可塑性区域的微观结构变化至少在12个小时内保持稳定。

本研究发现后顶叶满足了记忆印迹的所有条件。例如，该区域显示出了与记忆相关的功能性反应，这些反应能够在离线学习状态长时间保持，并与后续的回忆相关，同时这些区域还表现出符合标准的结构可塑性变化。因此，本研究发现了一个真正的新皮层记忆印迹，同时，本研究结果表明快速学习诱导的新皮层可塑性来自于多次解码-回忆的重复。后顶叶能够在几分钟内积累信息，并学习到已知物体模式之间的关联，这可能导致新皮层记忆的形成。

图3 在新皮层中学习诱导的持久性微结构改变

本研究采用联合推断来识别在两种模态下满足记忆印迹标准的区域。其中，本研究采用非参数联合分析在枕中回（）和楔前叶发现了显著的团块。如图4所示。其中，楔前叶在更严格联合分析仍然存在。因此，在与记忆有关的功能性脑区弥散度有所降低。所以，本研究中观察到的在线记忆表征可能依赖于真正的新皮层记忆印迹。通过更广泛地观察脑功能活动与结构可塑性之间的关系，本研究发现学习任务相关的功能与MD的短期下降有关（correlations of group-levelt values, n =114,698 voxels; short term: r = 0.150, long term: r = −0.013;difference: z = 67.09, P < 0.001)），而记忆相关的功能活性线性增加与长期的MD下降具有更强的相关性（short term: r =0.088; longterm: r = 0.192; difference: z = −42.98,P < 0.001）。如图4所示。上述结果表明，不同的过程可能是学习后不同时间点的微观结构变化的基础。

图4. 功能活动和微观结构可塑性之间的关系

尽管后顶叶（PPC）的不同区域的功能及其在工作记忆、与记忆相关的注意力或先前经验恢复中的作用仍存在争议，但本研究强调了内侧后顶叶（medial PPC）的重要作用。此外，本研究发现沿背侧和腹侧视觉通路脑区具有学习特异性和持续性的微观结构变化，这与分布式新皮层记忆印迹的理论保持一致。

本研究在关联性陈述性学习任务中，将功能磁共振成像（fMRI）和弥散磁共振成像（DW-MRI）相结合，探究了人类依赖经验的结构性的大脑可塑性。研究结果表明该可塑性在学习后可迅速诱发，能够持续12个小时以上，同时该可塑性位于的脑区（后顶叶）呈现出记忆相关的功能脑活动。后顶叶可塑性快速的时间动态性在一定程度上挑战了传统的系统记忆巩固的观点。

参考文献：

Fast track to the neocortex: A memory engram in the posterior parietalcortex

science.sciencemag.org/content/362/6418/1045

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