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物体挪了位置,脑内地图怎样跟上?睡眠与中隔—海马的记忆节拍

Nature communications · 2026-03-20

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Nature communications · 研究前沿

物体挪了位置,脑内地图怎样跟上?睡眠与中隔—海马的记忆节拍

小鼠研究发现,睡眠不足改变海马更新空间的方式;内侧中隔 PV 细胞在记忆编码时的活动,帮助地图随环境变化而调整。

根据论文主题制作的 AI 科学概念插画

昨天摆在一个角落的物体,今天换到了另一处。识别这个小变化,大脑既要记得旧位置,又要把新位置纳入正在使用的地图。睡眠不足时,这项看似简单的工作也会出错。2026 年《Nature Communications》的一项研究追踪成年雄性小鼠的内侧中隔(MS)与背侧海马 CA1(dCA1),发现问题并非仅仅是神经元变得不活跃:细胞怎样一起活动、上游信号何时到达,都关系到空间记忆能否随着物体移动而更新。

关键发现

睡眠剥夺削弱中隔 PV 细胞与海马位置细胞的编码期联系。此时增强中隔—海马活动,可改善位置场更新及物体位置记忆;休息或测试时增强则没有同样效果。

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仍在探索,却不再偏爱新位置

正常小鼠再次进入熟悉场地时,会更多探索被移走的物体。经历急性睡眠剥夺的小鼠,这种位置偏好减弱了。睡眠记录显示,它们的总睡眠和 REM 睡眠减少,觉醒片段增加;与此同时,总探索时间、移动距离与速度基本保持不变。记忆表现的差异,发生在仍愿意走动和探索的动物身上。

任务从熟悉环境开始,随后经历物体位置编码、休息和再次测试。知道动物最后有没有发现变化,还不足以知道困难出在哪一步。研究把神经活动沿着这几个阶段展开,寻找旧位置被记住、新位置被察觉之间的接力过程。次日的压力与迷宫行为比较也没有明显差异。

原论文图 1睡眠与位置探索
睡眠与位置探索
原论文 Figure 1。睡眠记录与物体位置任务,展示睡眠剥夺后的位置偏好和探索行为。
来源:Zheng Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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中隔细胞在探索物体时形成群体信号

内侧中隔常被看作海马节律的重要上游。研究中的 PV 阳性细胞,在编码和测试时更活跃,其中一部分对物体探索响应。它们与运动速度有关的细胞大多分开,整个群体的活动也没有紧紧跟随速度变化。这让研究者把目光从“跑得多快”转向“正在探索什么”。

单个 PV 细胞区分两个物体的能力较弱,把许多细胞的活动组合起来后,差异就更清楚。睡眠剥夺后,这种群体区分能力在测试阶段下降。中隔细胞并没有海马位置细胞那样鲜明的空间偏好,却能通过群体活动携带与物体及其位置组合有关的信息。

原论文图 4中隔的物体相关活动
中隔的物体相关活动
原论文 Figure 4。比较速度相关、物体相关细胞及不同中隔群体对物体的区分能力。
来源:Zheng Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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位置细胞还在,地图的调整却不同

在正常动物中,物体换位后,一部分 dCA1 位置场会朝新位置偏移,像是在原有地图上重新标记一处值得注意的地点。睡眠剥夺组缺少同样的方向性变化。两组位置细胞的比例,以及发生重映射或变得不稳定的细胞比例相近;关键差别落在已有地图怎样响应环境变化。

睡眠剥夺组在编码时还有更高的群体共活动。更多细胞一起动,并不一定让信息变得更丰富:如果原本各有分工的细胞过于同步,地图可能难以灵活调整。这是研究提出的一种解释。熟悉程度和物体是否移动同样影响细胞间的关系,海马的组织方式因此随任务而变化。

原论文图 5物体移动后的海马地图
物体移动后的海马地图
原论文 Figure 5。展示位置场偏移方向,以及正常和睡眠剥夺小鼠的群体共活动。
来源:Zheng Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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探索物体的中隔细胞,与海马地图相联系

同时追踪两处脑区,研究者发现,对物体响应的 MS PV 细胞在编码时与更多 dCA1 位置细胞相关。不同中隔细胞关联着不同的位置细胞子群,仿佛上游的节拍由多个声部组成。睡眠剥夺后,这种对应关系减弱,中隔与海马之间原本精细的协同受到影响。

这些联系跨越不同时间间隔,包含间接的网络过程。已有研究表明,中隔 GABA 能信号可以经海马抑制性细胞调节锥体细胞活动;theta 节律与局部网络也可能参与这场协作。两处细胞活动的呼应,因而更像多级传递中的配合,而非每个上游细胞逐一指挥一个位置细胞。

帮助发生在记住位置的时候

如果中隔信号参与组织这张地图,增强它能否让睡眠不足的小鼠重新发现变化?答案取决于时机。在物体位置编码期间增强 MS PV 活动,theta 节律、中隔—海马相干和位置场偏移随之改善,群体共活动的结构也调整了。小鼠再次表现出对被移动物体的偏好。

同样的增强发生在休息或测试阶段,却没有恢复这种偏好。相反,在多个阶段压低 PV 活动都可能损害表现,整体抑制还减少测试时的探索。中隔—海马合作贯穿任务过程,但在睡眠干扰之后,编码阶段尤其适合帮助信息重新组织:等到最后测试才增强活动,已经错过了这次救援的时机。

原论文图 7增强活动的时机
增强活动的时机
原论文 Figure 7。比较编码、休息与测试时增强中隔活动后的 theta 节律、位置场与群体活动关系。
来源:Zheng Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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一段输出,把节律与位置记忆连接起来

进一步聚焦 MS PV 在 dCA1 的末梢,研究者发现,在编码时增强这段输出,也能改善睡眠剥夺后的位置记忆;抑制则损害表现。这把中隔细胞、海马地图与动物探索之间的联系落到了一条具体通路上。中隔还有通向内嗅皮层等区域的输出,空间信息的处理仍是多个脑区共同完成的。

这项成年雄性小鼠研究描绘的是一种特定的位置记忆,而它带来的启发十分具体:记忆更新需要合适的细胞关系,也需要合适的时间。睡眠不足后,海马仍有位置细胞,动物仍在探索;改变的是这张地图如何接纳新线索,以及中隔信号能否在编码时为它组织节拍。

原论文图 8中隔—海马通路与位置记忆
中隔—海马通路与位置记忆
原论文 Figure 8。展示 MS PV 细胞及其 dCA1 末梢调节对物体位置记忆的影响。
来源:Zheng Y et al. · Nature communications · CC BY-NC-ND
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论文信息

Zheng Y, Tong J, Xing Y, Shao S, Liu N, Liu S, Wu J, Yin W, Wang J, Yuan S, Cui K, Qi X, Cui S, Wan Y, Yi M.
Parvalbumin-positive neurons in the medial septum participate in the formation of hippocampal-dependent spatial memory
Nature communications · 2026-03-20
DOI: 10.1038/s41467-026-70268-8