Nat Commun︱管吉松课题组发现海马体对记忆存储的重要索引机制

撰文︱罗文翰

责编︱王思珍

海马结构体（hippocampal formation）与大脑皮层（cortex）是哺乳动物中负责情景记忆的核心脑区。科学史上著名的失忆者H.M.（Henry Gustav Molaison）就是因为治疗癫痫而切除了双侧海马，进而导致了记忆的顺行性遗忘，也就是不能形成新的记忆[1]。但是关于海马的具体功能一直存在着不同的假说：一种假说认为海马是短期记忆向长期记忆转化过程中的中转站，存储了记忆的相关信息，即中转站理论（transition theory）[2]；另一种假说认为海马无法保存如此多的信息，只是作为皮层中信息的索引存储脑区 在长期记忆形成之前辅助并调控记忆的存取过程，即索引理论（index theory）[3, 4]。而长期记忆则储存在大脑皮层中，那么海马体和大脑皮层是如何相互作用最终形成记忆呢？和脑认知高度相关的脑电震荡又如何参与在该过程中？目前对于这些问题答案还不太清楚。

2022年3月24日，上海科技大学生命学院的管吉松团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Acquiring new memories in neocortex of hippocampal-lesioned mice”的文章，揭示了海马结构体和大脑皮层在学习过程中的相互作用机制。该研究发现皮层不同功能区间的长距离伽马同步信号是受到海马调控的，正是这个同步信号偶联不同脑区的记忆印迹细胞活动并介导皮层中记忆的存储与提取过程。

研究者构建了有趣的迷宫行为范式，小鼠需要学习记住迷宫中环境来导航，并最终获得的食物奖励（图1 a-c）。研究发现，在记忆过程中，小鼠的脑电波变得同步了。多个神经元的同步活动会造成局部电场的周期震荡，所以脑电波能够反映局部神经元的活动一致性。一般来说不同脑区的主要的脑电波频率和相位是不同的，但是研究者发现在小鼠记忆过程中，不同脑区的脑电波趋于一致了，且伽马频段的同步提高与theta波的周期高度耦合（图1 d-h）。这表明皮层脑电波高度参与小鼠的认知过程。

图1 学习诱导的皮质长程伽马同步与节律相联系

（图源：Luo, et al, Nat Commun, 2022）

因为海马体密切参与了大脑中theta波的调制。所以作者们探寻是否在记忆处理过程中，皮质伽马振荡是否受到海马体的调控。在功能丧失试验中，他们检查了海马破坏小鼠在空间记忆任务中的行为表现和脑电振荡情况。当海马背侧和腹侧部分都受损时（图2 a-b），在空间记忆任务的学习阶段，海马病变的小鼠寻找食物的时间明显延长，学习速度比对照组慢很多（图2 c）。在测试记忆检索的探测试验中，与对照组相比，海马破坏的小鼠不倾向于在食物区域内搜索（图2 d）。这些结果表明：这些小鼠有强烈的记忆缺陷。

除了行为缺陷外，他们观察到在记忆编码和回忆过程中gamma和theta功率增加，但与正常小鼠相比，振荡功率大大降低（图2 e）。另外，学习诱导的皮质gamma-theta耦合在海马破坏的小鼠中也没有了（图2 f），伽马脑电同步的耦合也明显减少（图2 g-i）。因此，海马是空间记忆的必要条件，并且对学习相关的皮质振荡的调节也是必不可少的。

外侧内嗅皮层（LEC）是海马体到大脑皮层的通道，也是记忆编码的关键。为了剖析HPC（海马）、LEC 和CTX（新皮质区域）之间的关系，作者对LEC和HPC和CTX各脑区的脑波进行了信号延迟分析，发现关键的theta波是从HPC-LEC-CTX流向的（图2 j）。暗示HPC-LEC正在调控皮层脑电。

更进一步的研究表明LEC对皮层有着广泛的突触投射（图2 k），皮层的逆向追踪实验也表明同样的结论，如果使用光遗传方法人为激活LEC神经元或者其到皮层突触则可以诱导明显的皮层伽马同步（图2 l-o），这说明了LEC对皮层的伽马同步至关重要，结合之前的theta波耦合，海马和内嗅皮层可能是以theta波的节奏来诱导皮层多脑区同步来促进皮层各脑区之间的交流（图2 p）。

图2 HPC 长距离皮质伽马同步受海马-外侧内嗅皮层调控

（图源：Luo, et al, Nat Commun, 2022）

既然海马破坏的小鼠缺少了脑电同步且展现出了巨大的记忆缺陷，那么人为通过刺激LEC诱导同步可否挽救这些海马破坏的小鼠的记忆缺陷呢？答案是肯定的。研究者发现：通过激活LEC对皮层的神经投射诱导皮层同步（iSOS）不仅仅可以挽救海马破坏小鼠的恐惧记忆的缺陷（图3 a-e），还可以挽救其空间记忆缺陷（图3 f-j）。表明在学习过程中给与皮质长程伽马同步后，HPC切除的小鼠完全恢复了获得和检索记忆的能力。换言之，人工iSOS和LEC轴突介导的长程伽马同步都能协调皮层单元，将记忆储存在小鼠新皮层中。   

图3 人为诱导长距离皮质同步（iSOS）可挽救了海马破坏的小鼠的记忆缺陷

（图源：Luo, et al, Nat Commun, 2022）

那么同步信号是否真的如此重要吗，还是LEC投射的激活本身则可以挽救记忆缺陷？为了研究同步信号的重要性，研究者对两组海马破坏的小鼠进行了顺序训练，即用 iSOS（两束同步激光的30 Hz脉冲）或异步 LEC 轴突激活（两束激光对不同区域的异步刺激），并在两个不同的盒子中连续学习两个地点记忆任务时刺激MO和VIS（或RSC）皮质表面的LEC到L2轴突（图4 a-b）。具体而言，在A沙盘中，当第1组小鼠被给予 iSOS，第2组被应用异步信号时，第1组小鼠在4天的训练中显示出检索食物的延迟迅速减少。相反地，第2组小鼠的学习速度比第1组慢得多（图4 c）。在A箱的记忆回忆测试中，第1组小鼠在食物区的搜索时间明显长于第2组小鼠（图4 d）。后来，在B箱中，第2组小鼠现在接受了iSOS的刺激，它们的表现有所改善，搜索时间明显减少（图 4e）。相反地，接受异步信号的第1组小鼠在训练期间的表现没有改善（图4 e）。在沙盘B框的探测试验中，第2组小鼠在食物区的时间明显比第1组小鼠长（图4 f）。总之，这些结果表明：长距离的皮质同步，而不是单独的LEC轴突激活，对空间记忆的储存是至关重要的。 

图4 iSOS，而不是异步皮质轴突激活，是挽救海马破坏小鼠的空间记忆障碍的关键

（图源：Luo, et al, Nat Commun, 2022）

长距离皮质伽马同步与记忆检索期间皮质记忆相关神经元的激活紧密相连长距离的皮质同步是如何调节记忆的形成和检索的呢？研究者们同时记录了后压部皮层（RSC）中记忆印迹细胞的钙活动和RSC与VIS（视皮层）之间的局部场电位（LFP）同步性（图5 a），并测试了空间记忆任务中记忆相关细胞的活动与长程同步性之间的相关性。结果发现RSC和VIS中的标记细胞显示出更高的活动水平，特别是在找食物前（探索前时期），比在陌生情境或生活笼子条件下的活动水平更高（图5 b）。忆印迹细胞的活动是由记忆检索诱发的，特别是在自由回忆的时候（所学环境中的感觉信息还没有呈现时）。这些观察结果通过平均每个钙事件附近的反应得到了进一步证实（图5 e）。忆印迹细胞的活动具有特异性，并分布在不同的脑区，且与长距离伽马同步密切相关，特别是在记忆提取时。  

事实上，为了成功找回食物，小鼠需要参考内在地图。最近的发现表明，在空间导航过程中，新皮层中存在的编码自我中心信息的神经元[5]。这样的自我中心编码神经元已在LEC、RSC和运动皮层被发现。因此，研究者们推测，小鼠在导航时也是依靠以他们的自我中心内心地图进行的。作者重新分析了行为数据和记忆印迹细胞的活动，以探索这些活动是否以自我中心的方式编码了空间信息。数据表明：记忆印记细胞的活动编码了空间物体相对于小鼠的位置信息，例如某个神经元群总是在某个物体位于小鼠身体的左侧时发放。这些分布在不同脑区的神经元可以通过这种方式帮助小鼠进行导航，最终找到食物奖励。

图5 皮层记忆印记细胞的激活与长程皮层伽马同步紧密耦合，并在记忆检索过程时编码以自我为中心的物体方位信息

（图源：Luo, et al, Nat Commun, 2022）

最后，研究者们剖析了LEC介导的与长距离伽马同步在检索引起和记忆相关神经元再激活中的作用。发现抑制LEC神经元的活动大大损害了记忆的检索。在记忆检索过程中通过hM4D(Gi)抑制LEC的活动减少了小鼠在记忆试验中对食物区的偏好，并增加了小鼠在再训练试验中到达食物的延迟（图6 a-c）。与行为缺陷相一致的是，抑制LEC的活动也减少了记忆印迹细胞的活动频率（图6 d-e），并且印迹细胞和脑电同步的相关性也没有了（图6 f-h）。通过比较伽马同步的整个时间序列与RSC和VIS中标记的神经元的钙活动，他们也发现LEC抑制减少了前探索阶段记忆印迹细胞的活动和长程伽马同步之间的相关性（图6 i）。这些数据表明：LEC对皮层记忆细胞在记忆提取时的再激活十分重要。

图6 LEC介导的长距离伽马同步对皮质印记的重新激活和记忆检索至关重要。

（图源：Luo, et al, Nat Commun, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究结合电生理、双光子及遗传操作等技术，揭示了海马结构体通过内嗅皮层诱导广泛皮层伽马同步来支持记忆写入和提取。在揭示了记忆印迹网络在大脑皮层中负责情景记忆信息的存储[6,7]之后，该项研究进一步解析了皮层中记忆印迹网络的编码调控机制：分散在大脑皮层中多个功能区的记忆印迹细胞在周期性振荡信号，尤其是伽马波段的脑电同步信号下整合了完整的记忆信息，形成了对完整信息的分布式存储与处理结构（图6 j）。

这些数据印证了人类脑电波研究和多项理论研究推测，即脑电波同步可能对学习记忆有促进作用，由于人体实验的限制性，该推测此前没有确切的实验数据支持和具体的机制，该研究给出十分详细的数据支持脑电波同步在学习记忆中的作用。首次提示了海马在记忆存储与提取中的关键周期性调制和索引机制，为揭示记忆印迹网络的工作原理作出了重要的深入探索，为仿脑人工智能技术发展提供了全新的思路。

虽然该研究大量解释了记忆印迹细胞的在记忆提取中的机制以及同步在记忆形成中的作用，但记忆印迹细胞的选择和形成的原理只有一点涉及，后续还需要完善实验手段等进一步解释记忆印迹细胞的选择和形成原理。并继续探索如何将该应用实现转化来，以造福记忆障碍病人。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29208-5

上海科技大学生命科学与技术学院管吉松教授为本文的通讯作者，上科大博士后罗文翰、韵迪为本文的共同第一作者。研究得到深圳先进研究院詹阳研究组、上海理工大学谢红研究组的大力支持。研究也得到了上海科技大学胡霁教授、华东师范大学林龙年教授和复旦大学医学院陆巍教授的帮助。该研究受到科技部2030重大研究项目支持、国家自然科学基金项目、上海市科学技术委员会项目基金的资助。

第一作者罗文翰（左），共同第一作者韵迪（中）。通讯作者管吉松（右）

（照片提供自：上海科技大学管吉松实验室）

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参考文献（上下滑动阅读）  

1. Scoville, W. B. & Milner, B. Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 20, 11–21 (1957).

2. Lisman, J. E. & Morris, R. G. M. Memory: Why is the cortex a slow learner? Nature 411, 248–249 (2001).

3. Okeefe, J. & Nadel, L. The Hippocampus as a Cognitive Map. Am. J. Psychol. 93, 177 (1980). 

4. Teyler, T. J. & Rudy, J. W. The hippocampal indexing theory and episodic memory: updating the index. Hippocampus 17, 1158–1169 (2007) 

5. Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M. B. & Moser, E. I. Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature 436, 801–806 (2005) 

6. Xie, H. et al. In vivo imaging of immediate early gene expression reveals layerspecific memory traces in the mammalian

7. brain. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 2788–2793 (2014). 

8. Wang, G. et al. Switching From Fear to No Fear by Different Neural Ensembles in Mouse Retrosplenial Cortex. Cereb Cortex 29, 5085–5097 (2019) 

制版︱王思珍

本文完