海馬體在處理情景記憶中起到關(guān)鍵作用。然而，海馬體的單一神經(jīng)元如何編碼多元素關(guān)聯(lián)仍然不為人知。特別爭議的問題是，每個(gè)海馬體神經(jīng)元是否代表情景記憶中的恒定元素，或者單個(gè)神經(jīng)元是否將離散情境記憶的所有元素結(jié)合在一起。近日，Luca D. Kolibius和 Simon Hanslmayr等人研究評估了30名參與者的單神經(jīng)元編碼離散情境記憶。這有望深化我們對情景記憶的理解。

他們的成果發(fā)表在最新一期的Nature Human Behaviour雜志上，名為 “Hippocampal neurons code individual episodic memories in humans”

情景記憶，即我們恢復(fù)過去經(jīng)歷的內(nèi)容、地點(diǎn)和時(shí)間能力，與神經(jīng)活動相關(guān)。海馬體在情景記憶處理和多模態(tài)信息整合中至關(guān)重要。然而，海馬體內(nèi)神經(jīng)元是否編碼特定元素或整個(gè)情景尚有爭議。當(dāng)前一種理論認(rèn)為，一組概念神經(jīng)元的同步活動或選擇性擴(kuò)展可編碼構(gòu)成情景的各個(gè)元素。例如，當(dāng)你與朋友在咖啡店時(shí)，可能有一組神經(jīng)元編碼咖啡店，另一組編碼朋友（見圖1a）。

作者分析了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1記錄了海馬體中的585個(gè)神經(jīng)元活動，參與者為16人（7名女性）。實(shí)驗(yàn)2記錄了216個(gè)神經(jīng)元，14名參與者（7名女性）。實(shí)驗(yàn)涉及記憶關(guān)聯(lián)任務(wù)，編碼和回憶交替進(jìn)行，插入干擾任務(wù)（圖1b，c）。參與者在回憶階段表現(xiàn)出高水平的記憶能力，明顯超過偶然預(yù)期。

圖1.indexing理論與基于概念神經(jīng)元的情景記憶海馬編碼之間的區(qū)別，以及實(shí)驗(yàn)1和2的程序。

1. 識別ESN（episode-specific neurons）

針對每個(gè)神經(jīng)元，作者測定了其在編碼和檢索中的激活率，以評估每個(gè)事件的激活頻率。然后，對所有編碼和檢索事件的激活率進(jìn)行了Z評分，并排除了所有后來被遺忘的事件。他們測量了特定事件的激活恢復(fù)，作為編碼和檢索時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化激活率的乘積（圖2a）。作者在實(shí)驗(yàn)1中確定了大量海馬ESN（585個(gè)神經(jīng)元中的136個(gè)，占23.25%；P < 0.001，經(jīng)過排列測試，圖2b）。

在136個(gè)ESN中，117個(gè)（86.03%）是編碼單一事件，其余是編碼多個(gè)事件。兩個(gè)示例ESN如圖3所示。這些ESN不太可能是調(diào)整到動物提示的概念細(xì)胞（concept neurons），因?yàn)樗鼈兊募せ盥手辉诔尸F(xiàn)相關(guān)刺激后才達(dá)到最大值（圖4）。

這些發(fā)現(xiàn)支持了海馬體獨(dú)特的編碼機(jī)制。值得注意的是，作者在海馬旁體中沒有發(fā)現(xiàn)大量的ESN（104個(gè)神經(jīng)元中的15個(gè)，P = 0.5396）。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)也沒有在海馬旁體中發(fā)現(xiàn)大量ESN（25個(gè)神經(jīng)元中的3個(gè)，P = 0.1199）。

2. ESN不編碼圖像的內(nèi)容/視覺屬性

神經(jīng)元通過反復(fù)呈現(xiàn)刺激來識別視覺反應(yīng)。然而，作者僅呈現(xiàn)一次動物提示，這限制了排除與提示相關(guān)的概念神經(jīng)元的能力。為了改進(jìn)這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)2中他們引入了一個(gè)視覺調(diào)優(yōu)任務(wù)（圖1c），在內(nèi)存關(guān)聯(lián)任務(wù)后迅速反復(fù)顯示記憶圖像。通過降低構(gòu)成概念神經(jīng)元的閾值，作者成功地增加了概念神經(jīng)元的數(shù)量（圖2c）。雖然這種自由閾值使一些弱調(diào)的概念神經(jīng)元得以識別，但對ESN的數(shù)量幾乎沒有影響。

3. ESN僅限于后來記住的情景

作者證明了ESN在記憶特定事件時(shí)，激活率出現(xiàn)恢復(fù)現(xiàn)象。這種恢復(fù)不能僅通過圖像的語義或視覺屬性來解釋，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)ESN用于內(nèi)存編碼。限制在后來被遺忘的事件上的分析未發(fā)現(xiàn)大量ESN。然而，由于被遺忘事件較少，他們通過多次隨機(jī)采樣平衡了后來被記住和遺忘的事件數(shù)量。分析結(jié)果表明，ESN數(shù)量在這兩種情況下無顯著差異。

圖2.分析實(shí)驗(yàn)1和2中確定的ESN的示意圖和數(shù)量

圖3. 兩個(gè)示例ESN的激活模式

圖4. 恢復(fù)（reinstated）和非恢復(fù)（non-reinstated）期間ESN的激活率

4. 瞬時(shí)ESN的識別

之前的ESN識別依賴某時(shí)間段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化平均激活率。作者進(jìn)行了分析調(diào)整，以便識別神經(jīng)元在恢復(fù)時(shí)間激活模式方面的表現(xiàn)。對每個(gè)神經(jīng)元，考慮了從編碼和檢索開始前六秒至結(jié)束后一秒的尖峰活動。通過高斯核卷積每個(gè)尖峰，創(chuàng)建了瞬時(shí)激活激活的度量。在編碼和檢索期間交叉關(guān)聯(lián)了特定事件的瞬時(shí)激活率，將最大值視為恢復(fù)值。這過程重復(fù)了1000次。在實(shí)驗(yàn)1中，發(fā)現(xiàn)了大量經(jīng)驗(yàn)性tESN（17.09%）。在實(shí)驗(yàn)2中，排除了顯著視覺調(diào)諧的發(fā)作，發(fā)現(xiàn)了更多的tESN（18.52%）。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明許多神經(jīng)元在成功記憶檢索中表現(xiàn)出特定于事件的時(shí)間激活模式。

總結(jié)

作者在海馬體內(nèi)發(fā)現(xiàn)一類神經(jīng)元，它們在特定獨(dú)特事件元素組合出現(xiàn)時(shí)被激活，觸發(fā)記憶恢復(fù)。這些神經(jīng)元不響應(yīng)單個(gè)概念或特定時(shí)間點(diǎn)。作者認(rèn)為，它們在記憶形成中充當(dāng)指針或索引，最初將事件元素綁定在一起，符合indexing理論。指針的再次激活使神經(jīng)元恢復(fù)之前編碼的情景記憶，包括時(shí)間和內(nèi)容信息。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41562-023-01706-6

參考文獻(xiàn)

Kolibius LD, Roux F, Parish G, Ter Wal M, Van Der Plas M, Chelvarajah R, Sawlani V, Rollings DT, Lang JD, Gollwitzer S, Walther K, Hopfeng?rtner R, Kreiselmeyer G, Hamer H, Staresina BP, Wimber M, Bowman H, Hanslmayr S. Hippocampal neurons code individual episodic memories in humans. Nat Hum Behav. 2023 Oct 5. doi: 10.1038/s41562-023-01706-6. Epub ahead of print. PMID: 37798368.

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）






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