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 重点推荐 扫码下载《动物行为实验手册》pdf 记忆和导航是大脑中两个紧密相连的认知过程。例记忆有助于我们在熟悉环境中的导航，而探索新环境则帮助我们学习关于地标之间的关系。内侧颞叶（medial temporal lobe），特别是海马体，在这两个功能中都扮演着重要角色。除了海马体中的位置细胞外，周围结构中也发现了强的空间细胞类型，为海马体系统在导航中的作用提供了支持，群体位置细胞对每个空间环境的响应都是特异性的，这可能是作为区分经验的记忆代码。已有研究支持，小鼠的海马体损伤会损害基于远距离地标三角定位的导航性能，且海马体还涉及了一个与识别记忆相关的广泛的神经网络。这些发现进而引发了一个问题：海马体的记忆和导航功能是否共享一个共同的基础？与啮齿类动物类似，猕猴海马体的选择性损伤也会破坏导航任务中的空间学习和记忆，但其单细胞记录结果不确定。猕猴海马体在开放环境中会显示出空间视图响应，而不是典型的空间细胞响应。海马体的损害也会破坏猕猴在视觉配对比较（visual paired-comparison, VPC）任务中的识别记忆，但很少有研究会将识别记忆和导航任务之间的行为表现或单细胞活动联系起来，这使得海马体的核心功能无法得到直接比较。 人类海马体的功能似乎变得越来越复杂了。海马体损伤的患者通常表现出叙事记忆缺陷，但保留了导航能力。研究表明，记忆和导航之间存在解耦联关系，两者激活的脑区也很少重叠。新的模型正在涌现，这些模型更多得在强调记忆和导航之间的差异，且考虑到神经和跨物种变异。这些发现引发了关于海马体神经元如何同时参与记忆和导航，以及海马体在灵长类动物中是否优先记忆，而在啮齿类动物中是否优先导航的疑问。 猕猴提供了弥合这一知识鸿沟的希望模型，它能将啮齿动物的电生理与人类的行为复杂性相结合。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的毛盾团队在猕猴中进行了多任务实验，比较了相同的海马体和新皮层神经元的选择性，试图融合海马体功能的记忆和空间视角，并探索更广泛的海马体-新皮层网络的参与，其研究成果Spatial dissociation between recognition and navigation in the primate hippocampus，发表在Science Advancses期刊中。
图源 Science Advances 首先，研究人员训练了两只猕猴（Macaca fascicularis）分别进行两个连续的任务：一个是在屏幕前进行的视觉场景记忆任务（VPC任务），另一个是在开放场地进行的自由导航任务。 VPC任务通常是通过呈现熟悉和新奇的视觉刺激，测试猴子的视觉记忆识别能力，且不涉及任何奖励。VPC任务评估动物对先前发生的事件的判断能力，这被认为是依赖于灵长类动物海马体在没有强化的情况下进行偶然记忆的作用。每个试验包括一个样本期，累计观看时间为10秒，一个60秒的黑色屏幕延迟，以及两个5秒的测试周期（测试中间间隔5秒的延迟）。在每个试验中，猕猴都会看到一组新的场景图像。重复和新刺激的位置在测试1和2中被随机化并交换。猕猴们将在没有奖励的情况下自然地完成任务。 在完成VPC任务的30次试验（约1小时）后，猕猴们转到开放场地的自由导航任务，并记录来自同一神经元的活动。研究人员使用头部帽上的反射标记跟踪猴子的6个自由度（6-degree-of-freedom）头部运动。他们记录了双眼运动和前景，使用牢固地安装在头部植入物上的无线眼动追踪器。植入了带有可移动单线束或四电极的慢性微驱动器。通过神经记录器从整个海马体长轴以及眶额叶（orbitofrontal, OFC）和后脾叶（retrosplenial, RSC）皮层获得了无线记录。通过将术前MRI和术后CT图像进行配准，重建了电极位置。 两只猕猴表现出对观看新图像的强烈偏好，在第一个测试期间花费的时间是新图像的两倍多。这种识别性能在第二个测试中下降，这可能是由于新颖性降低所导致的。研究人员使用观看新图像的时间比例来量化动物的识别性能，发现其识别性能与注视眼动呈负相关，表明识别率高的试验中注视时间更长。。研究发现，猴子的行为在开放式环境中覆盖了广泛的空间范围，尽管它们更喜欢聚焦于环境中的显眼地标（图1E和图S3）。视觉焦点测量对于灵长类导航非常重要。通过记录同一神经元的活动，可以进一步研究神经相关性在识别记忆和空间导航任务之间的变化，从而填补该领域的知识空白。
图1 实验设计和行为表现 研究人员在视觉模式识别任务中评估了海马体神经元的编码，并发现了一些神经元对识别性能表现出选择性。这些神经元中，有些对视觉刺激表现出增强响应，而有些则被抑制。研究人员使用速率调制指数（rate modulation index，观看新刺激和重复刺激的平均放电率之差除以它们的总和）来量化神经元的选择性，并发现23.1%的海马体神经元与记忆性能存在显著相关性，其中绝大多数神经元表现出正相关性，而当刺激位置交换和图像新颖性降低时，神经元与行为的相关性也相应降低。因此，研究人员在猕猴海马体中发现了与识别记忆相关的强大、直接的速率编码。
图2 VPC任务中的神经元选择性 研究人员进一步考察了猕猴海马体在自由导航中如何编码空间信息。使用自由觅食任务，研究人员发现猕猴海马体神经元对各种空间变量的响应具有多样化的选择性。通过多模态模型分析，研究人员发现猕猴海马体中的空间表示主要是基于非中心空间视图（allocentric spatial view，即猕猴的视线方向），而不是物理位置。同时，研究人员还发现运动速度是抑制性神经元主要编码的信息，而位置信息则只是次要编码。许多空间调整神经元表现出多变量混合选择性（124个神经元具有混合选择性，102个神经元具有单变量选择性），其中非中心空间视图和头部方向之间的交互最强。这些结果表明了，猕猴海马体编码了广泛的空间变量，以空间视图为主导，涵盖整个环境的视觉空间，包括四面墙、天花板和地板，且位置编码倾向于聚集在测试场地的边界附近。
图3 自由导航过程中的神经元选择性 为了探究这些相同的海马神经元如何在不同的任务中切换其表示方式，研究人员记录了330个相同的海马体神经元在视觉位置任务（VPC）和自由导航任务之间的活动。结果表明，海马体神经元在自由导航任务中显示出更高的活动水平（频率从0.22Hz到26.77Hz），而外部波形特征如振幅和时间特征则保持稳定。研究人员鉴别出选择性参与视觉模式识别任务（VPC）和/或导航任务的神经元。一些神经元显示出与记忆性能相关的速率调制，但不选择任何空间变量（记忆神经元），而其他神经元显示出明确的空间感受野spatial receptive fields，但不选择记忆识别（空间神经元）。大多数调整神经元选择性参与其中一个任务，约10%的海马体神经元同时参与识别和导航。记忆神经元之间速率调制和记忆性能的相关性高于空间神经元，而空间神经元包含的空间信息高于记忆神经元。
图4 神经元在VPC和导航任务之间的选择性 灵长类海马体沿其长轴在解剖和功能方面呈现拓扑组织，研究人员测试了海马体在识别和导航任务中的参与是否具有空间组织。他们将电极分布在整个长轴上，并根据记录站点将神经元分为三个组：前部（A）、中间（I）和后部（P）海马体。研究发现，猕猴海马体中相同的神经元在识别记忆和空间导航任务中表现出不同的选择性。记忆选择性神经元更多出现在前部和中间部分，而空间编码选择性则逐渐加强到后部区域。此外，研究还发现，前部海马体与前额叶皮层、内侧前额叶皮层和前扣带回皮层等区域连接，而后部海马体主要与后部皮层如后扣带回皮层和后顶叶皮层连接。结果表明，猴子海马体和新皮层沿其长轴方向存在差异的空间组织，涉及识别记忆和空间导航角色的不同定位。
图5 海马体沿长轴的空间组织与空间选择性
图6 海马体-新皮层网络中，不同任务之间神经元选择性的空间分布模式 该研究探讨了大脑中神经元对空间信息的编码机制，研究人员使用了LNP模型（linear-nonlinear Poisson model）对猴子大脑中神经元的活动进行分析，以确定它们编码了哪些空间变量。研究结果表明，大脑中的神经元能够同时编码多种空间信息，如位置、运动方向等，这说明大脑具有复杂的空间编码机制，能够整合不同类型的空间信息。这种多模态的编码方式可能为大脑提供了更丰富的空间表征,有助于动物进行复杂的空间导航和认知任务。此外，研究还发现，大脑中不同区域的神经元对空间信息的编码存在差异。例如，海马体和海马旁回等区域更多地编码与位置相关的信息，而后扣带回等区域则更多地编码与运动相关的信息，这表明大脑中存在分工合作的空间编码机制，不同区域负责编码不同类型的空间信息。这项研究为我们理解大脑中复杂的空间编码机制提供了新的见解，为进一步探索大脑的认知功能奠定了基础。  https://www./doi/10.1126/sciadv.ado7392 |
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