清華新聞網(wǎng)9月3日電 工作記憶將信息短暫地存儲(chǔ)在大腦中，其對(duì)學(xué)習(xí)、推理、決策和意識(shí)等復(fù)雜認(rèn)知行為起關(guān)鍵作用。過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)，科學(xué)家采用腦區(qū)損傷以及電生理記錄技術(shù)發(fā)現(xiàn)很多腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)與工作記憶信息有關(guān)，表明工作記憶在大腦中具有廣泛分布的特點(diǎn)。在工作記憶過(guò)程中，不同記憶會(huì)引起同一群神經(jīng)元的不同響應(yīng)，多腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)如何編碼不同記憶信息并不清楚。
8月31日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院、清華－北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院郭增才課題組在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《神經(jīng)元》（Neuron）在線(xiàn)發(fā)表題為“皮層-基底節(jié)-丘腦-皮層通道在短時(shí)記憶中的作用”（A Cortico-basal ganglia-thalamo-cortical Channel Underlying Short-term Memory）的研究論文，揭示皮層、基底節(jié)和丘腦形成的多腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)如何促進(jìn)工作記憶（短時(shí)記憶成分）的形成。
首先，研究者確立基底節(jié)系統(tǒng)對(duì)工作記憶（短時(shí)記憶成分）的重要性。在一個(gè)依賴(lài)胡須刺激的延遲反應(yīng)任務(wù)中（圖1A），研究者采用光遺傳技術(shù)，在短時(shí)記憶區(qū)間特異地激活或抑制基底節(jié)到丘腦的投射（圖1B, E），發(fā)現(xiàn)光遺傳操控特異地影響小鼠的選擇偏好性（圖1C, F），這種干擾對(duì)ALM神經(jīng)元在高維空間的活動(dòng)軌跡也有影響，激活黑質(zhì)網(wǎng)狀部（SNr）到丘腦的投射特異性地推動(dòng)ALM神經(jīng)元對(duì)側(cè)實(shí)驗(yàn)軌跡向同側(cè)靠近，而抑制則相反（圖1D, G）。操控丘腦的另一個(gè)抑制性輸入并不能特異性調(diào)控ALM軌跡，表明基底節(jié)到丘腦的投射有選擇性地調(diào)控皮層對(duì)工作記憶的編碼。
圖1 激活或抑制基底節(jié)到丘腦的投射對(duì)小鼠的選擇偏好與ALM活動(dòng)軌跡產(chǎn)生特異的影響
研究者采用多通道電生理技術(shù)對(duì)黑質(zhì)網(wǎng)狀部進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元的活動(dòng)可編碼感覺(jué)、抉擇和對(duì)錯(cuò)信息（圖2C）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)抉擇信息在黑質(zhì)網(wǎng)狀部中存在一個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元編碼更多的試驗(yàn)類(lèi)型信息（圖2B）。皮層的抑制可顯著降低黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元的選擇性，表明皮層給基底節(jié)系統(tǒng)提供關(guān)鍵信息（圖2D,E）。
圖2. 黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元的記錄、編碼分布、選擇性來(lái)源
皮層和基底節(jié)神經(jīng)元都有編碼工作記憶的能力，并且皮層對(duì)于不同試驗(yàn)類(lèi)型的編碼軌跡受基底節(jié)到丘腦投射的特異性影響，而基底節(jié)的選擇性也依賴(lài)于皮層。這些結(jié)果表明皮層-基底節(jié)-丘腦-皮層環(huán)路共同調(diào)控工作記憶信息的產(chǎn)生，基底節(jié)系統(tǒng)的功能失調(diào)不僅導(dǎo)致帕金森和亨廷頓舞蹈癥等運(yùn)動(dòng)疾病，還對(duì)工作記憶功能產(chǎn)生重要影響。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院郭增才研究員為本文通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院2016級(jí)博士生王玉和已畢業(yè)的2015級(jí)博士尹鑫鑫為并列第一作者， 清華大學(xué)生命學(xué)院2014級(jí)張洲洲博士、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院2019級(jí)博士生李潔玨和趙聞?wù)Z共同參與了該課題的研究。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華－北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院的支持。
供稿：醫(yī)學(xué)院
編輯：李華山
審核：李晨暉
