海馬體作為情景記憶的關(guān)鍵腦區(qū)，海馬體能夠編碼空間和時(shí)間信息，對(duì)于情景記憶至關(guān)重要。然而，空間和時(shí)間表征在海馬記憶系統(tǒng)中的相互作用機(jī)制仍然不明確。
9月5日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所王成研究員團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳小菁助理教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合在Neuron雜志發(fā)表題為“Integration and competition between space and time in the hippocampus”的研究論文，首次報(bào)道了：1)海馬神經(jīng)元在多個(gè)一維導(dǎo)航任務(wù)中能同時(shí)編碼空間和時(shí)間信息；2）空間編碼與時(shí)間編碼之間存在負(fù)相關(guān)性。該研究揭示了單個(gè)海馬神經(jīng)元對(duì)空間-時(shí)間編碼的競(jìng)爭(zhēng)-整合機(jī)制，為理解以時(shí)空信息為背景的情景記憶表征提供了重要的神經(jīng)基礎(chǔ)。
文章上線截圖
早期研究發(fā)現(xiàn)，海馬體中存在位置細(xì)胞和時(shí)間細(xì)胞，可以表征生物體在環(huán)境中的位置和特定時(shí)間段內(nèi)的某個(gè)時(shí)刻。當(dāng)使用不同的時(shí)間間隔時(shí)，時(shí)間細(xì)胞可能出現(xiàn)保持不變、重新計(jì)時(shí)，或按比例重新調(diào)整的情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間體驗(yàn)的靈活表征。位置細(xì)胞和時(shí)間細(xì)胞構(gòu)成了情景記憶中空間和時(shí)間背景信號(hào)的可能神經(jīng)基礎(chǔ)。
然而，海馬神經(jīng)元在時(shí)空連續(xù)體中表征空間和時(shí)間的程度以及時(shí)空表征如何相互作用仍然是未解之謎。大多數(shù)傳統(tǒng)研究在不同任務(wù)階段分別考察空間或時(shí)間的表征。但是心理物理學(xué)研究表明，空間和時(shí)間的感知之間存在相互影響（如，距離判斷往往隨刺激的時(shí)間間隔增加而增加；同樣，時(shí)間判斷也隨刺激的空間間隔增加而增加），這引發(fā)了關(guān)于海馬表征中是否存在類似交互作用的問(wèn)題。
王成研究員和陳小菁助理教授長(zhǎng)期從事海馬相關(guān)腦區(qū)的空間和時(shí)間信息處理的神經(jīng)機(jī)制的研究。團(tuán)隊(duì)的前期工作報(bào)道了外側(cè)內(nèi)嗅皮層和內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層分別基于自我中心和世界中心參考系編碼空間信息（Science?2018），壓后皮層對(duì)多場(chǎng)景多物體空間感知的自我中心編碼及微環(huán)路整合機(jī)制（Neuron 2024），以及外側(cè)內(nèi)嗅皮層的多尺度時(shí)間編碼與任務(wù)經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系（Nature 2018）。為了進(jìn)一步研究空間信息與時(shí)間信息編碼的相互作用機(jī)制，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航任務(wù)及現(xiàn)實(shí)世界任務(wù)，使用在體單光子顯微鏡技術(shù)，記錄和研究了不同運(yùn)動(dòng)速度下海馬CA1腦區(qū)神經(jīng)元的時(shí)空表征。
研究示意圖
研究發(fā)現(xiàn)，不論是純粹的空間導(dǎo)航任務(wù)（固定距離長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有明確的時(shí)間信息線索）還是純粹的時(shí)間感知任務(wù)（固定時(shí)間周期的運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有空間視覺(jué)輸入線索），海馬CA1的許多神經(jīng)元存在空間-時(shí)間信息的共同表征，即在同一個(gè)任務(wù)里可以同時(shí)表現(xiàn)為位置細(xì)胞（編碼跑道中的具體位置）和時(shí)間細(xì)胞（編碼從起始位置開始的已逝運(yùn)動(dòng)時(shí)間）。此外，時(shí)間表征能夠捕捉行為任務(wù)中時(shí)間結(jié)構(gòu)的相似性，可能有助于遷移學(xué)習(xí)。這些結(jié)果提供了位置細(xì)胞和時(shí)間細(xì)胞的統(tǒng)一處理，并與基于海馬體時(shí)空框架組織情景記憶的理論相一致。
研究還發(fā)現(xiàn)，海馬的空間編碼與時(shí)間編碼之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。例如對(duì)于某些位置細(xì)胞，偏好空間位置與已逝時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即在更短的時(shí)間周期下位置場(chǎng)會(huì)往后發(fā)生位移。同樣，對(duì)于某些時(shí)間細(xì)胞，偏好時(shí)間與行進(jìn)距離之間也存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。這種競(jìng)爭(zhēng)性的負(fù)相關(guān)性可以顯著增強(qiáng)另一個(gè)維度的信息量。這些結(jié)果表明，空間和時(shí)間編碼存在競(jìng)爭(zhēng)-整合機(jī)制，符合不同腦區(qū)中認(rèn)知變量的多重編碼，可能作為時(shí)空軌跡或背景更好地服務(wù)于情景記憶。
南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生陳士杰和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所助理研究員程寧為論文共同第一作者，王成研究員和陳小菁助理教授為論文共同通訊作者。該研究是在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、科技部腦計(jì)劃重大專項(xiàng)、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、深圳市抑郁障礙精準(zhǔn)診療重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等資助下完成。
附件下載：