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案例展示

似曾相识的感觉来源于海马记忆细胞对经验的处理——Inscopix文章解析

发布时间:2020-06-19

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随着国内疫情的稳定,城市的逐渐解封,小编已经迫不及待的想要去好好的吃个大餐了。说到吃,小编也有很多滔滔不绝的经验可以和大家分享,比如去吃火锅,要选择什么锅底,点什么肉,什么蔬菜,用什么酱料,还要搭配什么饮料,以及来点水果……说着说着,不经咽了一下口水。

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怎么样,各位看官的记忆是不是已经被小编充分的调动了,就算我们只是想象,我们的大脑也知道我们曾经有过类似的经历,这些都是我们之前吃火锅的时候做过的事情。而且大脑会在我们不管是去到呷哺呷哺,还是在海底捞(抱歉哦,小编无意在这里打广告的哈),或者是我们自己在家煨火锅的时候,我们大脑的海马CA1区域里面的,和吃火锅这个经验相关的神经元都会被激.活。

好了,我们言归正传,小编为大家分享的是来自麻省理工学院(MIT)的Tonegawa实验室发表在Nature Neuroscience上的文章“Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience”,该文章通过使用滔博生物独-Inscopix自由活动钙成像发现海马CA1区的记忆细胞可以帮助我们去理解新的情况,也就是当发生新的类似的事件时,存储过去经验的神经元会被激.活。

发现

MIT的神经科学研究人员确定了在整个事件中编码不同片段的独特部分的神经元群,这些存储在海马区的记忆片段,会在发生类似类型的经验时被激.活,并且这与存储空间位置的细节记忆的神经元是不同的。

 

研究人员认为,在自由活动的小鼠钙成像研究中,发现了“事件编码”的信息,这种信息可以帮助大脑理解新的情况,并通过使用相同的神经细胞来表示类似的经验,从而学习新的信息。

麻省理工学院皮考尔学习和记忆研究所(Picower Institute For Learning And Memory)的生物学和神经科学教授Susumu Tonegawa介绍说:“当你遇到一些新的事情时,会有一些新的、值得注意的刺激,但当你已经对这种特殊的经历有了相当程度的了解,那么这会是一种与之前类似的经历。”

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位置细胞

众所周知,大脑海马区的某些神经元是专门对特定位置进行记忆存储的“Place Cell”。在小鼠上的研究表明,在海马区,当动物处于特定位置的时候,这种被称为Place Cell(位置细胞)的神经元就会激.活,即使是动物梦到了那个位置,神经元激.活的情况也是一样的。下面的视频中小鼠在这个直线跑道中的沿着 特定的方向 经过 特定的位置 时标记的神经元会活跃。

 对抽象的编码


在新的研究中,研究人员想要了解海马区是否也存储了记忆中比较抽象的元素,也就是说,无论你在哪里吃,这些细胞都可能会编码“火锅”,而不需要您到特定的火锅店。

为了验证这一假设,研究人员设计了一个小鼠跑圈的行为实验,在小鼠跑圈的时候,同时使用小显微镜观察小鼠海马神经元的变化(图1b,c)。

研究人员让佩戴了小显微镜的小鼠首先在方形的迷宫中按照4圈每次的方式进行跑动,而在每次试验的第1圈开始时,会给动物一个奖励,随后的三圈不给奖励(图1d)。研究人员发现,当小鼠在方形迷宫中的特定位置时,使用滔博生物代理的Inscopix自由活动钙成像显微镜采集到的海马区神经元会激.活,而且在4圈的不同圈时也是不同的神经元活跃(图1e)。大约有30%的CA1神经元参与常见了这个“事件编码”。

作者说:“这给了我们的暗示:除了空间的编码,海马神经元似乎还关心着称为第1圈的经验,或者第2圈,第3圈,第4圈的经验”。

 

跑圈

为了排除这个记忆经验可能和时间或空间具有相关性,研究人员通过对方形迷宫的加长,设计出来了S(短距离)和L(长距离)圈的随机组合(图2b),在不改变动物每次试验的第1圈开始时,会获得奖励,随后的三圈不给奖励这样的行为范式,继续使用小显微镜显微镜记录海马区神经元的变化(图2a),发现这种跑圈的经验是把每1圈当中独立经验完成的,这个经验不受当前或邻近圈(事件)内时空变化的影响(图2c)。

 

改变跑道

更进一步的,研究人员训练小鼠在第1天跑方形的圈,而第2天跑圆形的圈(图3a),在行为奖励范式不变的情况下,他们发现位置细胞活跃区域的变化,小鼠在新的环境中位置细胞会在不同的位置发放。然而,不管小鼠跑圈的形状如何改变,在这4圈中的每1圈里面都会有相同的与圈有特异性关系的细胞被激.活(图3b)。

作者说:“即使在新的空间位置上,神经元仍然保持它们对圈数的编码,这表明原本编码正方形圈1的细胞现在已经转移到了圆形圈1的编码。”


要有光

接下来,研究人员将表达抑.制性视蛋白的病.毒(AAV2/2-EF1a-DIO-eNpHR3.0-mCherry)注射到pOxr1-Cre小鼠的大脑内侧內嗅皮层(MEC)亚区,用光遗传方法导致了来自MEC的感觉输入(图4a)(编者注:MEC的输入在之前的研究中表明其与经验的顺序组织有关),仍然使用小显微镜记录MEC轴突终末的dCA1神经元,通过28-40次跑四圈任务的试验,这些试验在MEC轴突终末的光遗传失活(点亮)和不失活(点亮)之间交替进行。dCA1中MEC末端的失活没有改变dCA1中的空间活动模式(图4g, i),然而,这种失活改变了同一细胞中的跑圈编码的活动模式(图4h, i)。相比之下,注射AAV2/2-EF1a-DIO-mCherry(也就是说,没有eNpHR3.0来抑.制视蛋白)的对照组小鼠在启动和关闭试验中保留了跑圈的活动模式(图4j, k)。这也就说明了跑圈的特定活动模式可以与空间活动相互独立地操作,尽管这两个活动模式在同一个细胞中联合表达。

 

上跑步机

研究人员继续探究了经验在空间不变的情况下会发生什么?为了回答这个问题,研究人员用跑步机(滔博生物倾情提供)代替了标准的迷宫(图5a, c),进行了4次跑步,每次小鼠以14cm/s的速度在跑步机上跑12s,再次通过使用小显微镜记录CA1神经元发现跑圈的特定活动模式仍然出现(图5e,f),表明海马神经元对经验的调用与事件特定特征以及连续变量追踪表征一起以一种联合的方式发生,即使在空间不变的情况下也是如此。

就好比说,每次我们吃火锅的时候,类似的记忆细胞都会被激.活,不管我们在哪里或吃什么味道。研究人员认为海马区域包含了“两个相互独立操作的编码”,一个编码在位置、时间和感官输入上持续变化,另一个将整个经验组织成较小的模块,这些模块适合于已知的类别,如锅底和配菜。

小结

编码大量经验的神经网络也可能对一种名为迁移学习的学习类型有用,这种学习可以让你应用已经拥有的知识来帮助你解释新的经验或学习新的事物。让我们期待研究人员使用Inscopix自由活动动物显微钙成像技术(滔博生物中国总代理)去发现这些编码特定知识的神经元群体吧!

 

Tonegawa语录

“我们认为这两种类型的海马神经元编码都是有用的,而且两者都很重要。如果我们想记住在一个特定的经历中发生的所有细节,瞬间发生的变化,那么持续的记忆是有效的。但是,当我们有了更多的经验时,把经验分成块,记住抽象的顺序,这个远比持续记忆更有效。”





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