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Nature：新聘“诺奖级泰斗”研究揭示大脑中执行不同认知功能环路之间的协同作用

编程日记 2023/09/17 00:12:21

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| 中科院神经所官网报道

大脑的一个核心功能是创造和保留外部世界的内在表征并指导行为，记忆（Memory）一词指的就是这种 "保留"。传统来说，人们认为记忆包括三个主要过程：编码（Encoding）、存储（Storage）和索回（Retrieval）。编码是指大脑将感觉运动信息转化为广泛的神经表征的能力，涉及大脑中不同的感觉皮层、联合皮层和调控相关的脑区及结构。一旦信息编码完成，通过突触连接的变化而体现出的广泛分布的神经模式的状态就可以被储存起来，并在之后可能被重新检索出来。记忆可以是短暂而有限的，也可以是看似有无限容量的，分别被称为短期记忆和长期记忆。

长期记忆包括范围较广，从像习惯化（Habituation）、敏化（Sensitization）的初级记忆（Elementary memory）和非联想型记忆（Non-associative memory），到较复杂的记忆如情景记忆（Episodic memory）和语义记忆（Semantic memory）都在其内。情景记忆存储的是发生什么事（What）、在什么地方（Where）、在什么时间（When）类型的信息，而语义记忆则是指对事实、事件、思想和概念的了解，涵盖范围也很广，包括历史和科学事实的信息、词语的含义，甚至是复杂的句子，如数学公式等。情景记忆和语义记忆通常也被归为陈述性记忆（Declarative Memory），与程序性记忆（Procedural Memory）相对应，后者是我们发展长期技能的基础，如说话、走路、骑自行车或演奏乐器等。陈述性记忆涉及的神经元群体包括端脑和边缘系统，如海马、杏仁核和隔核，而程序性记忆则由初级感觉皮层和运动区的神经元群体、联合皮层以及纹状体和小脑等结构组成。

除了神经基础的差异外，陈述性记忆与程序性记忆的巩固也发生在不同的睡眠状态下，如快速眼动（REM）和非快速眼动（NREM）睡眠时期。长期以来，人们通过使用肌电图、心电图和电生理记录等多种记录手段来研究这些睡眠状态的显著性特征。快速眼动期在我们入睡后约90分钟开始，持续时间约10分钟，而其在最后睡眠阶段的持续时间逐渐达到整整一个小时。快速眼动期的特点是眼球运动、心率和呼吸频率增加以及做梦。而非快速眼动的发作则与更深的睡眠阶段有关，其中在最深的睡眠阶段，由于该时期大脑皮层缓慢的上下振荡（Up-down oscillation）因而被称为慢波睡眠（Slow-wave sleep），它与陈述性记忆的巩固有关。快速眼动和非快速眼动期具有完全不同的神经化学水平，并以不同的内在神经事件作为标志，如分别出现在脑桥的脑桥-膝状体-枕叶波(Pontine-Geniculate-Occipital waves , PGO波)，以及出现在海马区域的尖波涟漪(Sharp-Wave Ripples , SWR)和θ波震荡（Theta-bouts，2-15Hz的短暂振荡)。海马长期以来一直被认为在睡眠过程中发生着可塑性变化，在编码和巩固长期记忆中起着重要作用，其中尖波涟漪被认为是海马和大脑皮层之间密集互动形成系统固化（System-consolidation）的表现。（相关阅读：Science连发3篇论文：记忆提取机制取得重大进展，关于海马尖波涟漪）

然而，仅靠系统固化是无法创造持久性记忆的，因为海马与皮层间相互作用引起的皮层变化需要皮层下神经调节结构的精确稳态控制，以促进长时程增强作用（Long term potentiation）。一个很好的例子是脑桥的胆碱能活动可能通过PGO波介导。但是，尖波涟漪事件是否会与某种脑桥活动同时发生呢？

在最近一期的《自然》杂志上发表的研究中，Logothetis教授实验室利用猕猴的多种神经活动记录手段，首次证明了脑干确实是通过PGO波短暂地调节了海马脑网络事件。两种在生理上不同类型的PGO波似乎依次发生，分别选择性地影响高频涟漪和低频θ波震荡事件。两种类型的PGO波与海马区域相反的动作电位场耦合相关，促使神经元群体在涟漪和θ波震荡时期出现高度神经发放同步行为。该实验结果随后也得到了神经事件触发的功能磁共振成像（Neural-event triggered functional MRI）中实验证据的支持，证明了多种学科的技术方法在系统神经科学研究中的价值。

PGO波和涟漪之间这种令人惊讶的耦合支持了这样一个概念，即胆碱能脑桥瞬态对海马睡眠动态的全局协调机制可能会促进系统和突触记忆巩固以及突触稳态的形成。