2024年9月18日，《Science Advances》期刊在線發(fā)表了題為《Spatial dissociation between recognition and navigation in the primate hippocampus》的研究論文。研究通過(guò)對(duì)獼猴進(jìn)行高通量的無(wú)線電生理記錄、無(wú)線眼動(dòng)追蹤和精確的運(yùn)動(dòng)捕捉，發(fā)現(xiàn)不同的海馬神經(jīng)元分別參與再認(rèn)記憶和空間信息的編碼，且這種編碼沿海馬長(zhǎng)軸及新皮層前-后軸呈現(xiàn)出完全相反的梯度，揭示記憶和空間導(dǎo)航可能具有獨(dú)立的神經(jīng)機(jī)制。

長(zhǎng)久以來(lái)，大量的研究都證明海馬對(duì)記憶和空間導(dǎo)航都至關(guān)重要。那么海馬究竟通過(guò)怎樣的神經(jīng)機(jī)制同時(shí)發(fā)揮這兩個(gè)作用的？為探究這一問(wèn)題，研究人員采用了多任務(wù)設(shè)計(jì)研究了再認(rèn)記憶和空間導(dǎo)航之間的聯(lián)系，訓(xùn)練獼猴在同一天依次進(jìn)行視覺(jué)配對(duì)比較任務(wù)（Visual paired-comparison）和自由導(dǎo)航任務(wù)（Free foraging）（圖1）。這種多任務(wù)設(shè)計(jì)使得研究人員可以觀察相同的海馬神經(jīng)元如何在不同任務(wù)之間轉(zhuǎn)換表征。視覺(jué)配對(duì)比較任務(wù)不涉及強(qiáng)化學(xué)習(xí)，無(wú)需獎(jiǎng)勵(lì)，測(cè)試獼猴的無(wú)意記憶（Incidental memory）；在自由導(dǎo)航任務(wù)中，獼猴允許在一個(gè)3.5mx3.5mx2.2m的曠場(chǎng)中自由尋找隨機(jī)掉落在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地上的食物顆粒。

圖1：A. 實(shí)驗(yàn)流程示意圖。獼猴在同一天內(nèi)依次完成視覺(jué)配對(duì)比較任務(wù)和自由導(dǎo)航任務(wù)。并且在這兩個(gè)任務(wù)期間記錄同一批神經(jīng)元，分析它們的跨任務(wù)表征。B. 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中使用的便攜式無(wú)線雙眼眼動(dòng)、無(wú)線電生理及運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。通過(guò)這些記錄，可提取多種任務(wù)相關(guān)空間信息。

研究人員利用自研高通量電極系統(tǒng)在獼猴眶額皮層、海馬和壓后皮層記錄了大量的神經(jīng)元活動(dòng)。結(jié)果表明，在視覺(jué)配對(duì)比較任務(wù)中，23.1%海馬神經(jīng)元顯示出與再認(rèn)記憶表現(xiàn)的強(qiáng)相關(guān)。在自由導(dǎo)航任務(wù)中，和之前的研究一致，海馬神經(jīng)元編碼了豐富的空間信息，且大多呈現(xiàn)出對(duì)多種空間變量的混合表征。其中，與嚙齒類(lèi)動(dòng)物不同，空間選擇性更多的被視覺(jué)空間（spatial view）而不是獼猴所在的位置信息所主導(dǎo)。

當(dāng)聚焦于兩個(gè)任務(wù)中共同記錄到的神經(jīng)元時(shí)，結(jié)果顯示編碼再認(rèn)記憶與空間信息的神經(jīng)元群體是趨于獨(dú)立的。記憶調(diào)諧的神經(jīng)元攜帶較少的空間信息；同樣，具有空間調(diào)諧的神經(jīng)元表現(xiàn)出有限的記憶編碼（圖2）。此外，考慮到海馬前、后端連接的差異，編碼再認(rèn)記憶信息的海馬神經(jīng)元更多的集中在海馬前端，而海馬后端則編碼更多的空間信息。海馬與再認(rèn)記憶和空間表征的相關(guān)性分別延海馬前-后軸表現(xiàn)出相反的梯度。進(jìn)一步，考慮到海馬與其前后端新皮層之間的投射，這種相反的梯度也延伸到了海馬-新皮層網(wǎng)絡(luò)的前端和后端。處于海馬前側(cè)的眶額皮層中有更強(qiáng)的再認(rèn)記憶的編碼，而位于海馬后側(cè)的壓后皮層則擁有更強(qiáng)的空間信息的編碼（圖3）。

圖2：趨于獨(dú)立的海馬神經(jīng)元群體分別參與編碼空間信息和再認(rèn)記憶信息

圖3：關(guān)于再認(rèn)記憶和空間導(dǎo)航信息的表征沿海馬長(zhǎng)軸以及海馬-新皮層網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出相反的梯度

這一項(xiàng)工作探究了獼猴海馬和新皮層神經(jīng)元參與再認(rèn)記憶和空間導(dǎo)航的機(jī)制，揭示了沿著海馬長(zhǎng)軸及新皮層前后軸均存在再認(rèn)記憶和導(dǎo)航之間相反的梯度。這些發(fā)現(xiàn)有助于進(jìn)一步理解高級(jí)認(rèn)知功能，促進(jìn)對(duì)非人靈長(zhǎng)類(lèi)腦功能的深入解析。后續(xù)工作需要進(jìn)一步探索海馬和新皮層之間在再認(rèn)記憶和空間導(dǎo)航表征中的因果關(guān)聯(lián)。

該研究由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心神經(jīng)動(dòng)態(tài)與認(rèn)知研究組博士研究生許霄和杜可晨在毛盾研究員的指導(dǎo)下完成。該研究獲得科技部、基金委及中國(guó)科學(xué)院的經(jīng)費(fèi)資助。