麻省理工学院的神经科学家识别编码事件发生时间的海马中的大脑回路

麻省理工学院的神经科学家发现，海马CA2区的锥体细胞（绿色）负责存储关键的计时信息。

研究结果表明，这种海马回路有助于我们保持记忆的时间表。

当我们遇到一个新事件时，我们的大脑不仅会记录发生的事情，还会记录事件的背景和上下文，包括事件的时间和位置。麻省理工学院神经科学家的一项新研究揭示了海马中记忆的时机是如何编码的，并建议时间和空间是分别编码的。

在对老鼠的研究中，研究人员发现了海马回路，这些回路用来存储有关迷宫中左右转弯时机的信息。当该电路被阻塞时，小鼠无法记住下一步应该转弯的方式。但是，破坏电路似乎并没有削弱他们对他们在太空中的位置的记忆。

研究人员说，这些发现增加了越来越多的证据，表明当我们形成新的记忆时，大脑中不同数量的神经元会编码时间和地点信息。

“有一种新兴的观点认为，“位置细胞”和“时间细胞”通过将信息映射到海马体上来组织记忆。麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的研究科学家，研究的主要作者克里斯·麦克唐纳（Chris MacDonald）说，这种时空的环境是一个支架，使我们能够建立自己的个人记忆时间表。

Picower研究所RIKEN-MIT神经回路遗传学实验室的Picower生物学和神经科学教授Susumu Tonegawa是这项研究的资深作者，该研究报告将于本周在美国国家科学院院刊上发表。

时间和地点

大约50年前，神经科学家发现大脑的海马体含有编码特定位置记忆的神经元。这些称为位置单元的单元存储信息，这些信息成为特定内存上下文的一部分。

对于任何给定的内存，上下文的另一个关键部分是时序。2011年，麦克唐纳（MacDonald）和已故的波士顿大学心理学与脑科学教授霍华德·艾钦鲍姆（Howard Eichenbaum）在称为CA1的海马中发现了能追踪时间的细胞。

在那项研究中，当时是波士顿大学博士后的麦克唐纳（MacDonald）发现，当训练小鼠将两种刺激（一种物体和一种气味）相关联时，这些细胞表现出与时序相关的特定发射方式，这些刺激被延迟了10秒它们之间。当延迟延长到20秒时，电池将其发射模式重新组织为持续20秒而不是10秒。

MacDonald说：“几乎就像它们正在形成时态上下文的新表示形式，就像空间上下文一样。”“新兴的观点似乎是，位置和时间单元都通过将经验映射到由时间和空间定义的上下文表示来组织记忆。”

在这项新研究中，研究人员希望调查大脑的其他部分可能正在提供CA1时序信息。先前的一些研究表明，海马附近的一个称为CA2的部分可能参与了时间的追踪。CA2是海马的一个很小区域，尚未进行广泛研究，但已证明与CA1有很强的联系。

为了研究CA2和CA1之间的联系，研究人员使用了工程小鼠模型，在其中可以使用光来控制CA2区中神经元的活动。他们训练小鼠运行一个p-8迷宫，如果每次跑迷宫时它们左右交替旋转，它们将获得奖励。在每次试验之间，他们在跑步机上跑步10秒钟，在此期间，他们必须记住他们在上一次试验中选择了哪个方向，因此他们可以在即将进行的试验中做相反的事情。

当研究人员在老鼠处于跑步机上时关闭了CA2的活性时，他们发现老鼠的工作表现非常差，这表明他们不再记得上一次试验中转向的方向。

MacDonald说：“当动物表现正常时，CA1中会有一系列细胞在此时间编码阶段剔除。”“当您抑制CA2时，您会看到CA1中的时间编码变得不那么精确，并且在时间上更模糊。它变得不稳定，这似乎与他们在该任务上的表现不佳有关。”

记忆体电路

当研究人员在迷宫中使用光来抑制CA2神经元时，他们发现对CA1“位置细胞”的作用很小，它不能使小鼠记住它们的位置。麦克唐纳说，这些发现表明空间和时间信息优先由海马的不同部分编码。

他说：“这项工作令人兴奋的一件事是，空间和时间信息可以并行运行，并且可以在电路的不同点处合并或分离，这取决于从内存角度出发需要完成的工作，”他说。

麦克唐纳（MacDonald）现在正在计划对时间感知的其他研究，包括我们如何在不同情况下感知时间，以及我们对时间的感知如何影响我们的行为。他希望追求的另一个问题是，大脑是否具有不同的机制来跟踪以秒为单位的事件和以更长的时间段为单位的事件。

他说：“以某种方式，我们存储在内存中的信息可以在不同的时间范围内保持事件的连续顺序，我对我们能够做到的方式非常感兴趣。”

参考：Christopher J. MacDonald和Susumu Tonegawa，“ CA2输入在CA1时间单元支持记忆的顺序组织中的关键作用”，2021年1月11日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.2020698118

这项研究是由日本理化学研究所脑科学中心，霍华德·休斯医学研究所和JPB基金会资助的。