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空间选择的关键一刻,左侧海马CA3更显身手

Nature communications · 2020-06-09

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Nature communications · 研究前沿

空间选择的关键一刻,左侧海马CA3更显身手

小鼠记住刚才的位置、再作出选择时,左右海马CA3呈现不同贡献。左侧CA3及与它相连的内侧隔PV细胞,在提取阶段尤为关键。

AI科研概念插画:小鼠在分岔路径前作空间选择,背景暖冷神经光意象表现网络协作与差异,非实验照片或数据

走到岔路口,刚才的经历怎样变成眼前的选择?空间工作记忆让动物暂时保留位置信息,并在需要时取出来使用。左右海马看起来结构相近,是否也承担同样的工作?2020年6月9日发表于 Nature Communications 的小鼠研究,把记忆分成获取、等待与选择几个阶段,发现左侧海马CA3的贡献尤其体现在提取信息、作出选择的时刻。一条来自内侧隔的输入,又把这种左右差别接到了上游细胞群。

关键发现

抑制左侧CA3锥体细胞,在选择阶段削弱空间工作记忆表现;获取和等待阶段、右侧对应干预未见显著影响。与左侧CA3相连的内侧隔PV细胞也参与这项提取过程。

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相似的海马,在选择时露出差别

在空间选择任务中,小鼠先获得一段位置信息,经过等待,再依靠这段信息作出选择。研究看到,左右CA3的群体钙信号都在获取和选择阶段增强,等待阶段则没有同样的明显升高。左右两侧都进入了任务,差别并不是一边参与、另一边沉默。

到了选择阶段,左侧CA3在正确试次中的钙信号高于错误试次,右侧这项比较则未达到显著。随着学习推进,钙信号强度与任务表现还呈相关。这样的联系把研究焦点放到了信息被取出来、即将用于行动的时刻。

原论文图 1相似的海马,在选择时露出差别
相似的海马,在选择时露出差别
Figure 1:左右CA3在获取与选择阶段均有钙信号增强;选择阶段正确与错误试次的差异在左侧达到显著、右侧未达显著。
来源:Song D et al. · Nature communications · CC BY
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不是所有细胞一起行动,而是响应时序不同

把群体信号拆到单个记录单位,两侧都有大量细胞随任务阶段改变放电,任务响应单位的比例也相近。真正不同的是响应的类型与时序:左侧更常出现与选择前准备相关的放电模式,右侧则更常在主臂活动时响应。

在受比较的响应类别中,左侧细胞还更早开始放电。位置偏好的细胞在两侧都能找到,任务无明显响应的细胞也同样存在。左右差别因此落在细胞群怎样组织时间上,而不是把一侧海马整体冠以“记忆中心”的称号。

原论文图 2不是所有细胞一起行动,而是响应时序不同
不是所有细胞一起行动,而是响应时序不同
Figure 2:两侧CA3记录单位均有多种任务响应类型,部分类型的比例及放电起始时间存在左右差别。
来源:Song D et al. · Nature communications · CC BY
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左侧CA3的贡献,落在提取这一刻

活动与成功相关,还需要检验它是否影响选择。降低左侧CA3锥体细胞活动后,小鼠在选择阶段的正确率下降;在获取信息或等待阶段降低活动,表现未显著改变。右侧CA3的对应抑制,在这些受测阶段也未显著影响正确率。

这份阶段差别与前面的信号记录相互呼应。不过,额外增强左侧或右侧CA3活动,都可能干扰任务表现。维持合适的活动组织,比简单地让某一侧越活跃越好更为重要,右侧也仍是这个网络的一部分。

原论文图 3左侧CA3的贡献,落在提取这一刻
左侧CA3的贡献,落在提取这一刻
Figure 3:左侧CA3锥体细胞在选择阶段受抑制时正确率降低,获取和等待阶段、右侧对应比较无显著变化。
来源:Song D et al. · Nature communications · CC BY
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任务变了,提取的差别仍能出现

在另一项依赖近期空间信息的水迷宫任务中,降低左侧CA3活动使小鼠提取目标位置所需的时间延长,右侧对应比较未见显著变化。后续恢复测试中表现回到正常,变化跟随当时的活动状态,并未表现为记忆永久消失。

触屏任务进一步改变了信息需要保留的时间。较短等待下,左右抑制均未显著影响表现;等待更久时,左侧抑制才显出损害,右侧仍未见显著影响。同样是空间工作记忆,任务需求会改变这种左右分工被观察到的程度。

原论文图 4任务变了,提取的差别仍能出现
任务变了,提取的差别仍能出现
Figure 4:水迷宫提取和较长延迟触屏任务中,左侧CA3抑制影响表现;较短延迟条件和右侧对应结果未达显著。
来源:Song D et al. · Nature communications · CC BY
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上游连接也有偏向,但并非非此即彼

研究把视线向上游移,追向内侧隔及对角带区域。带有PV标记的相关细胞,其连接更偏向单侧CA3;带有ChAT标记的胆碱能细胞,则更常呈现双侧联系。解剖上的偏向,为功能差别提供了可能的组织基础。

两种分布并不是泾渭分明的两张线路图,胆碱能细胞也存在单侧联系。连接的多少、跨越哪一侧,以及细胞在选择时怎样影响海马,是相互关联却仍需分别检验的问题。

原论文图 5上游连接也有偏向,但并非非此即彼
上游连接也有偏向,但并非非此即彼
Figure 5:MS/DB相关PV与ChAT细胞的CA3连接分布不同,PV更偏单侧、ChAT更多双侧,两类均非绝对排他。
来源:Song D et al. · Nature communications · CC BY
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与左侧CA3相连的PV群体,牵动选择表现

接着,研究降低与左侧CA3相连的内侧隔PV细胞活动,小鼠选择正确率下降;与右侧CA3相连的PV群体,受测结果未显著改变。对应的ChAT相关群体,无论关联左侧还是右侧CA3,抑制后也未见显著的正确率变化。

这里受到影响的是按投射关系识别的上游细胞群,它们还可能通过其他连接共同作用。结果让左侧CA3的提取功能有了一个具体的上游伙伴,也留下了这些输入如何改变CA3活动时序的问题。

原论文图 6与左侧CA3相连的PV群体,牵动选择表现
与左侧CA3相连的PV群体,牵动选择表现
Figure 6:左侧CA3相关内侧隔PV群体受抑制时选择表现受损,右侧相关PV及两侧相关ChAT比较均未达显著;末图为作者提出的组织模型。
来源:Song D et al. · Nature communications · CC BY
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记忆的左右分工,也是一种时间分工

这项研究把一个宽泛的左右脑问题,缩小到特定区域、细胞群和任务时刻。左右CA3都响应任务,但当最近的空间信息必须变成眼前选择时,左侧CA3及其相关PV输入的贡献更突出。等待长短和任务形式又为这种差别加上条件。

这些结论来自小鼠的受测空间任务。哪些CA3细胞接收关键输入,左右侧怎样协调,以及这种组织是否通过网络节律维持,仍待进一步回答。记忆并不是被装进某一侧,而是由两侧网络在不同时间、以不同方式参与。

论文信息

Song D, Wang D, Yang Q, Yan T, Wang Z, Yan Y, Zhao J, Xie Z, Liu Y, Ke Z, Qazi TJ, Li Y, Wu Y, Shi Q, Lang Y, Zhang H, Huang T, Wang C, Quan Z, Qing H.
The lateralization of left hippocampal CA3 during the retrieval of spatial working memory
Nature communications · 2020-06-09
DOI: 10.1038/s41467-020-16698-4