研究揭示内嗅皮层的新教育作用

研究揭示内嗅皮层的新教育作用

神经科学中一个长期存在的问题是哺乳动物的大脑（包括我们的大脑）如何适应外部环境、信息和经验。 在《自然》杂志上发表的一项范式转变研究中，德克萨斯儿童医院和贝勒医学院简和丹邓肯神经学研究所 (Duncan NRI) 的研究人员发现了一种新型突触可塑性的机制步骤，称为行为时间尺度突触可塑性 (BTSP)。 这项研究由贝勒大学教授 Jeffrey Magee 博士领导，他也是霍华德休斯医学研究所和邓肯 NRI 研究员，展示了内嗅皮层 (EC) 如何向海马体发送指导性信号； 对空间导航、记忆编码和巩固至关重要的大脑区域； 并指示它专门重新组织特定神经元子集的位置和活动，以响应其不断变化的环境和空间线索而改变行为。

神经元通过称为突触的连接传输电信号或化学物质来相互通信。 突触可塑性是指这些神经连接随着时间的推移而变得更强或更弱的适应能力，直接响应外部环境的变化。 我们的神经元对外部信号快速而准确地做出反应的这种适应性能力对于我们的生存和成长至关重要，并构成了学习和记忆的神经化学基础。

动物的大脑活动和行为能够快速适应空间变化

为了确定哺乳动物大脑适应性学习能力的机制，Magee 实验室的博士后研究员、该研究的主要作者 Christine Grienberger 博士测量了一组特定位置细胞的活动，这些位置细胞是专门的海马神经元，可以创建和更新外部环境的“地图”。 她在这些小鼠的大脑上安装了一个强大的显微镜，并在小鼠在线性跑步机上跑步时测量了这些细胞的活动。

在初始阶段，小鼠习惯了这种实验设置，并且奖励（糖水）的位置每轮都会改变。 “在这个阶段，小鼠不断以相同的速度奔跑，同时不断地舔轨道。这意味着这些小鼠体内的位置细胞形成了统一的平铺图案，”目前担任布兰代斯大学助理教授的格里恩伯格博士说。

在下一阶段，她将奖励附加到轨道上的特定位置，并附上一些视觉提示来引导小鼠，并测量同一组神经元的活动。

我发现改变奖励位置会改变这些动物的行为。 然后，老鼠在奖励点前不久停下来品尝糖水。 更有趣的是，这种行为变化伴随着奖励位点周围位置细胞密度和活性的增加。 这表明空间线索的变化可以导致海马神经元的适应性重组和活动。”

Christine Grienberger 博士，布兰代斯大学助理教授

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这种实验范式使研究人员能够研究空间线索的变化如何塑造哺乳动物大脑以产生适应性的新行为。

70 多年来，赫布理论（通俗地概括为“神经元一起放电、连接在一起”）主导了神经科学家关于突触如何随着时间的推移变得更强或更弱的观点。 尽管这一经过充分研究的理论构成了神经科学领域多项进展的基础，但它也有一些局限性。 2017 年，Magee 实验室的研究人员发现了一种新型且强大的突触可塑性——行为时间尺度突触可塑性 (BTSP)——它克服了这些限制，并提供了一个模型，最能模仿我们在现实生活中学习或记忆相关事件的时间尺度。

使用新的实验范式，Grienberger 博士发现，在第二阶段，先前沉默的位置细胞神经元在奖励位置建立后，在单轮中突然获得了大的位置场。 这一发现与突触可塑性和学习的非赫布形式是一致的。 其他实验证实，观察到的这些小鼠海马细胞和行为的适应性变化确实是 BTSP 造成的。

内嗅皮层指导海马位置细胞如何应对空间变化

根据之前的研究，Magee 团队知道 BTSP 涉及指导/监控信号，该信号不一定位于激活的目标神经元（在本例中为海马区的细胞）内或附近。 为了确定这种指令信号的来源，他们检查了附近称为内嗅皮层（EC）的大脑区域的轴突投影，该区域支配海马体，并充当海马体和控制高级执行/决策过程的新皮质区域之间的门户。

Magee 博士说：“我们发现，对支配我们记录的 CA1 海马神经元的 EC 轴突子集进行有针对性的抑制，可以防止大脑中 CA1 奖赏过度表达的发展。”

基于多项研究，他们得出结论，内嗅皮层提供了相对不变的目标指令信号，指示海马体重新组织位置细胞的位置和活动，进而影响动物的行为。

马吉博士补充道：“大脑的一个部分（内嗅复合体）可以指导另一个大脑区域（海马体）改变其神经元（位置细胞）的位置和活动，这是神经科学领域的一项非凡发现。” “它彻底改变了我们对大脑中学习依赖性变化如何发生的看法，并揭示了新的可能性，将改变和指导我们未来治疗神经系统和神经退行性疾病的方法。”

这项研究由霍华德休斯医学研究所、卡伦基金会以及德克萨斯儿童医院简和丹邓肯神经学研究所资助。

来源：

德克萨斯儿童医院

参考：

Grienberger, C 和 Magee, JC, (2022) 内嗅皮层控制 CA1 表征中与学习相关的变化。 自然。 doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6 。

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