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医学院郭增才课题组发文报道工作记忆的生成机制

清华新闻网9月3日电 工作记忆将信息短暂地存储在大脑中,其对学习、推理、决策和意识等复杂认知行为起关键作用。过去的一个多世纪,科学家采用脑区损伤以及电生理记录技术发现很多脑区的神经活动与工作记忆信息有关,表明工作记忆在大脑中具有广泛分布的特点。在工作记忆过程中,不同记忆会引起同一群神经元的不同响应,多脑区网络如何编码不同记忆信息并不清楚。

8月31日,清华大学医学院、清华-北大生命科学联合中心、IDG/麦戈文脑科学研究院郭增才课题组在神经科学领域权威学术期刊《神经元》(Neuron)在线发表题为“皮层-基底节-丘脑-皮层通道在短时记忆中的作用(A Cortico-basal ganglia-thalamo-cortical Channel Underlying Short-term Memory)的研究论文,揭示皮层、基底节和丘脑形成的多脑区网络如何促进工作记忆(短时记忆成分)的形成。

首先,研究者确立基底节系统对工作记忆(短时记忆成分)的重要性。在一个依赖胡须刺激的延迟反应任务中(图1A),研究者采用光遗传技术,在短时记忆区间特异地激活或抑制基底节到丘脑的投射(图1B, E),发现光遗传操控特异地影响小鼠的选择偏好性(图1C, F),这种干扰对ALM神经元在高维空间的活动轨迹也有影响,激活黑质网状部(SNr到丘脑的投射特异性地推动ALM神经元对侧实验轨迹向同侧靠近,而抑制则相反(图1D, G)。操控丘脑的另一个抑制性输入并不能特异性调控ALM轨迹,表明基底节到丘脑的投射有选择性地调控皮层对工作记忆的编码。

 

图1 激活或抑制基底节到丘脑的投射对小鼠的选择偏好与ALM活动轨迹产生特异的影响

研究者采用多通道电生理技术对黑质网状部进行记录,发现黑质网状部神经元的活动可编码感觉、抉择和对错信息(图2C)。进一步研究发现抉择信息在黑质网状部中存在一个热点区域,这个区域的神经元编码更多的试验类型信息(图2B)。皮层的抑制可显著降低黑质网状部神经元的选择性,表明皮层给基底节系统提供关键信息(图2D,E)。

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图2. 黑质网状部神经元的记录、编码分布、选择性来源

皮层和基底节神经元都有编码工作记忆的能力,并且皮层对于不同试验类型的编码轨迹受基底节到丘脑投射的特异性影响,而基底节的选择性也依赖于皮层。这些结果表明皮层-基底节-丘脑-皮层环路共同调控工作记忆信息的产生,基底节系统的功能失调不仅导致帕金森和亨廷顿舞蹈症等运动疾病,还对工作记忆功能产生重要影响。

清华大学医学院郭增才研究员为本文通讯作者。清华大学生命学院2016级博士生王玉和已毕业的2015级博士尹鑫鑫为并列第一作者, 清华大学生命学院2014级张洲洲博士、清华大学医学院2019级博士生李洁珏和赵闻语共同参与了该课题的研究。该研究工作得到了国家自然科学基金、清华-北大生命科学联合中心和清华-IDG/麦戈文脑科学研究院的支持。

论文链接

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(21)00577-8

供稿:医学院

编辑:李华山

审核:李晨晖

2021年09月03日 14:13:35

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