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神经科学家识别出编码事件发生时间的大脑回路

当我们经历一个新事件时,我们的大脑不仅会记录发生的事情,还会记录背景,包括事件的时间和位置。麻省理工学院神经科学家的一项新研究阐明了记忆的时序是如何在海马中编码的,并建议时间和空间是分别编码的。

在对小鼠的研究中,研究人员发现了海马回路,这些回路用来存储有关迷宫中左右转弯的时间信息。当该电路被阻塞时,小鼠无法记住下一步应该转弯的方式。但是,破坏电路似乎并没有削弱他们对他们在太空中的位置的记忆。

研究人员说,这些发现增加了越来越多的证据,表明当我们形成新的记忆时,大脑中不同数量的神经元会编码时间和地点信息。

克里斯·麦克唐纳(Chris MacDonald)说:“有一种新兴的观点认为,“位置细胞”和“时间细胞”通过将信息映射到海马体上来组织记忆。这种时空背景充当了一种支架,使我们能够建立自己的个人记忆时间表。是麻省理工学院皮克尔学习与记忆研究所的研究科学家,也是该研究的主要作者。

Picower研究所RIKEN-MIT神经回路遗传学实验室的Picower生物学和神经科学教授Susumu Tonegawa是这项研究的资深作者,该研究报告将于本周在美国国家科学院院刊上发表。

时间和地点

大约50年前,神经科学家发现大脑海马包含编码特定位置记忆的神经元。这些称为位置单元的单元存储信息,这些信息成为特定内存上下文的一部分。

对于任何给定的内存,上下文的另一个关键部分是时序。2011年,麦当劳和已故的波士顿大学心理学与脑科学教授霍华德·艾钦鲍姆(Howard Eichenbaum)在海马CA1区的一部分中发现了可以追踪时间的细胞。

在那项研究中,当时是波士顿大学博士后的麦克唐纳(MacDonald)发现,当训练小鼠将两种刺激(物体和气味)相关联时,这些细胞表现出与时序相关的特定发射方式,这两种刺激被延迟了10秒它们之间。当延迟延长到20秒时,电池将其发射模式重新组织为持续20秒而不是10秒。

麦克唐纳说:“这就像它们正在形成时态上下文的新表示,就像空间上下文一样。” “新出现的观点似乎是,位置和时间单元都通过将经验映射到由时间和空间定义的上下文表示来组织记忆。”

在这项新研究中,研究人员希望调查大脑的其他部分可能正在提供CA1时序信息。先前的一些研究表明,海马附近称为CA2的部分可能参与了时间的跟踪。CA2是海马的一个很小区域,尚未进行广泛研究,但已证明与CA1有很强的联系。

为了研究CA2和CA1之间的联系,研究人员使用了工程小鼠模型,在其中可以使用光来控制CA2区中神经元的活动。他们训练小鼠运行八字形迷宫,如果它们每次跑迷宫时都左右交替旋转,它们将获得奖励。在每次试验之间,他们在跑步机上跑步10秒钟,在此期间,他们必须记住他们在上一次试验中选择了哪个方向,因此他们可以在即将进行的试验中做相反的事情。

当研究人员在老鼠处于跑步机上时关闭了CA2的活性时,他们发现老鼠在这项工作中的表现非常差,这表明他们不再记得上一次试验中转向的方向。

麦克唐纳说:“当动物正常运转时,CA1中有一系列细胞在这个时间编码阶段开始运转。” “当您抑制CA2时,您会看到CA1中的时间编码变得不那么精确,并且在时间上更加模糊。它变得不稳定,并且似乎与它们在该任务上的执行也不佳相关。”

记忆电路

当研究人员在迷宫中使用光来抑制CA2神经元时,他们发现对CA1“位置细胞”的作用很小,从而使小鼠无法记住它们的位置。麦克唐纳说,这些发现表明空间和时间信息优先由海马的不同部分编码。

他说:“这项工作令人兴奋的一件事是,空间和时间信息可以并行运行,并且可以在电路的不同点处合并或分离,这取决于从内存角度出发需要完成的工作,”他说。

麦克唐纳(MacDonald)现在正在计划对时间感知的其他研究,包括我们如何在不同情况下感知时间,以及我们对时间的感知如何影响我们的行为。他希望追求的另一个问题是,大脑是否具有不同的机制来跟踪以秒为单位的事件和以更长的时间段为单位的事件。

他说:“以某种方式,我们存储在内存中的信息可以在非常不同的时间范围内保持事件的连续顺序,我对我们能够做到的方式非常感兴趣。”

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