神经生物学|运动记忆在睡眠中随机回放

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睡眠对大脑来说远不是一个静止的时间：当大鼠（和人类）睡着时，海马体中的神经元会迅速放电。当一只大鼠从一个地方反复移动到另一个地方后，同样的神经元在大鼠睡觉时“重放”这个放电，即它们以相同的，但更快的模式放电。以前，人们认为重放模式只与大鼠在清醒时重复进行的行程相对应。在Neuron杂志上，奥地利科学技术研究所（IST）的Federico Stella博士后和Jozsef Csicsvari教授发表了一篇文章，指出当大鼠自由行动时，海马会在睡眠中重放这次行动，但它以一种随机的方式重放，类似于著名的布朗运动，即粒子的随机移动。

当我们（或进行实验的大鼠）处于某一位置时，海马中的定位细胞即为激发细胞。为了形成一个记忆，能够回忆起它并做出决定，它们需要在睡眠中重放放电模式。Csicsvari解释说，在数据中很容易看到重放，而且重放的速度很快，“当大鼠睡着的时候，海马是无声的。但突然间，大量的定位细胞放电，接着海马又安静下来。这种放电是非常迅速的。在清醒时这种放电需要一秒钟而在动物睡着时大约只需10毫秒。

开放环境取代迷宫

以前的研究集中在大鼠按一定顺序访问迷宫中的位置后的回放。他们发现，定位细胞放电的顺序与大鼠的运动相对应，并且在睡眠中也观察到了这种重放模式。在这项新的研究中，Csicsvari和Stella研究了当大鼠在开阔野外环境中移动时会发生什么。研究人员让这些动物在环境中四处奔跑，同时随机丢入食物奖励，同时记录多达400个定位细胞如何放电。然后他们记录了大鼠睡觉时同一个定位细胞是如何放电的。

Csicsvari说，他们的发现出乎意料。“在大鼠已经探索过的地方神经元会放电，但由放电表达的位置顺序遵循随机的轨迹。令人惊讶的是，这些随机轨迹类似于布朗运动，即粒子移动、碰撞和改变方向时的随机运动。”一个精确的统计定义了一个随机过程是否遵循布朗运动。“当我们进行统计时，我们发现回放模式遵循布朗运动。但这与动物的实际运动并不一致——大鼠并没有随意奔跑。相反，就像一个简单的物理状况一样，海马体的复杂回路产生了一种自身决定的模式。”

测量技术进展

Stella说，这一新发现之所以能实现，是因为神经元记录技术的迅速发展。“五年前，人们认为，当一只老鼠随机地四处乱跑时，大脑中只有一个地方发生重播。现在我们可以同时记录数百个定位细胞，那么我们就可以区分彼此靠近的细胞放电-以前被误认为是同一区域的放电。”

重放是经验的抽象化

Csicsvari解释说，随机重放能让研究人员深入了解海马体的回路动力学。“在像我们这样的实验环境中，动物不会通过隐藏的食物奖励等方式了解环境，海马体会自行产生放电轨迹。我们的研究表明，大脑回路本身有一个复杂的动态过程，它影响着神经元的放电方式。经验可能会对可能重放的内容起到约束作用。”

Stella把随机重放看作是大鼠经验的抽象化。“这种抽象可以用于认知目的，例如在相同的环境中规划新的行为，或者用于概括不同的经验。”在未来，Stella计划将研究重放在记忆后处理中的作用，以及大鼠如何利用重放来计划行为。“当大鼠有意图时，随机性是如何影响的？这就是我现在想知道的。”

原文检索：

Hippocampal Reactivation of Random Trajectories Resembling Brownian Diffusion

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