研究进展

新闻类别:研究进展
2018-06-22

付玲团队和陆军医大联合揭示导航环路机制,或可作为空间记忆操控靶点

6月14日,国际神经科学顶级期刊«神经元»(Neuron)在线发表了武汉光电国家研究中心付玲教授课题组与陆军医大谌小维教授课题组的合作研究论文,题为《一条空间导航的记忆环路》(A visual cue-dependent memory circuit for place navigation)。该工作在名为内嗅皮层第二层到海马体齿状回区域(MECII-DG)的神经通路上发现了一个经过空间学习而产生的与任务相关联的持续活动信号。这一活动信号依赖于学到的视觉线索,并且用光遗传学方法抑制这条通路会影响动物位置记忆输出。

该研究揭示了视觉系统、内嗅皮层第二层和海马齿状回组成的这条通路可能是视觉导航记忆神经环路的重要枢纽,为对目标导航和空间记忆的神经环路进行精准干预提供了新的靶点。

常常有朋友好奇自己老找不到路,必须依靠手机导航才能开车,是不是脑子里某个地方发育不好,造成空间记忆力差?

过去的几十年,科学家们已经对目标导航和空间记忆的神经机制进行了大量的研究,但是目前的认识仍然十分有限。现初步了解,大脑的导航和空间记忆可能是由内嗅皮层-海马系统内的神经细胞来完成。上世纪30年代,美国科学家Edward C. Tolman提出了脑内可能存在对周围环境进行感知的认知地图(cognitivemaps);70年代,英国科学家John O’Keefe在大鼠海马发现了位置细胞(place cells);2005年,挪威科学家May-Britt Moser和Edvard Moser夫妇首次在内嗅皮层发现了网格细胞(grid cells);随后,他们在内嗅皮层还发现了头部方向细胞(head-directioncells)、边界细胞(border cells)、速度细胞(speedcells)等。这些细胞可能就是Tolman提出的认知地图的组成部分之一,参与感知和编码位置、距离、运动方向和速度等空间信息。这些突出的工作,使得O’Keefe和Moser夫妇于2014年获得诺贝尔生理学/医学奖。尽管如此,这些细胞的活动与导航行为的因果关系是什么,内嗅皮层-海马系统是否存在特定的空间记忆环路等大量基本问题仍然悬而未决。

大脑中存在着十分复杂神经环路网络,几乎所有的机体行为都是由大脑中各种特定环路的组合来主导执行。在熟悉环境中结合空间记忆和视觉输入信号实现的目标导航能力,是高等智能动物普遍具有的一种高级大脑功能。它既是阿尔茨海默症(俗称“老年痴呆症”)研究的重点关注对象,也是人工智能(自主导航控制)的重要理论启发源头。因此,如何准确的找到对目标导航至关重要的神经环路、掌握其编码模式并能够对其进行精准干预,是一个重要的神经科学基本问题。

该研究具有相当的挑战性,很大程度上是由于很难使用标准的电生理和成像方法,在动物执行与空间记忆相关的任务时对通路的活动进行实时监测。谌小维课题组与付玲课题组合作,巧妙地使用光纤光度计(Fiber Photometry),采用Morris水迷宫和八臂迷宫这两个经典的空间记忆行为学范式,实时记录投射到海马的MEC神经元在自由活动状态下的神经信号。他们发现了一个随着空间学习从无到有产生的神经元活动模式,被称之为任务关联持续活动(Persistent Task-Associated Activity, PTA)。该活动模式只在MECII-DG通路而不在另一条近邻的名为MECIII-CA1(从内嗅皮层第三层到海马体CA1区域)的通路产生。进一步实验发现该PTA活动的产生依赖于熟悉环境中持续的视觉输入;光遗传学抑制MECII-DG通路,会影响小鼠的位置记忆输出,无法导航到隐藏平台,而抑制MECIII-CA1通路是无效的。更进一步地,研究人员还通过多通道电生理记录方法,揭示了在这条神经通路的起始端(内嗅皮层第二层,MECII)的神经元受视觉输入引发的持续发放活动和空间位置编码模式,以及在整个学习记忆过程中该编码模式的变化。

综上,该研究通过光学和电生理技术的结合,找到了执行目标导航任务的关键记忆环路,并在环路水平和细胞水平研究了相关空间记忆的特征性活动模式和动态编码模式;并且以该环路为靶点实现了对目标导航相关空间记忆的精准可逆干预。该研究促进了对空间记忆机制的理解,也为空间记忆的精准干预、删除和植入提供了可能的理论基础。

该论文的第一作者为付玲课题组和谌小维课题组联合培养的研究生覃涵,联合通讯作者包括谌小维、付玲及慕尼黑工业大学Arthur Konnerth,参与作者包括科学院苏州医工所贾宏博等。陆军医大金文均和深圳先进研究院王立平在前期实验和病毒方面给予了帮助。该工作得到了国家自然科学基金、中组部计划、国家科技部973项目、重点研发计划的资助。