人脑记忆提取过程中皮层神经元放电序列的重现
撰稿专家 | 邱爽教授
01
研究背景介绍：
一般认为，人类情景记忆的提取依赖于人脑重现第一次经历该情景时神经元放电模式的能力。这一观点在啮齿类动物研究中得到一些平行证据的支持，例如，当动物探索特定空间环境时，内侧颞叶(the medial temporal lobe, mtl)的单个神经元能序列放电，并且这一序列在清醒、休息状态和睡眠状态下会被反复重现，该重现被认为促成了记忆的提取及巩固，甚至记忆相关的规划。但是，目前没有直接证据证明人脑也是基于神经元序列放电的重现来提取情景记忆的。此外，啮齿类动物内侧颞叶的神经元序列放电与一种被命名为“ripples”的快速振荡相关联，而人脑ripples振荡也与人类情景记忆提取有关，提示人脑ripples振荡也可能与记忆相关的神经元序列放电密切相关。
美国国立卫生研究院kareem a. zaghloul及其研究团队在3月6日的science上发表了名为“replay of cortical spiking sequences during human memory retrieval”（人脑记忆提取过程中皮层神经元放电序列的重现）的研究工作，详细分析了人脑皮层神经元放电活动与ripples振荡的关系，以及它们与情景记忆编码和提取的关联性。他们通过检测6名受试者发现，人脑皮层单个神经元放电能组织成记忆相关的特定序列，而ripples振荡则反映了上述神经元的簇状发放。神经元的序列放电在记忆形成过程中反复出现，并在记忆成功提取过程中重现，这种重现也与内侧颞叶的ripples振荡相关。这些数据提示，人类的情景记忆是由特定的神经元放电序列编码，而记忆提取则是由颞叶这种特定放电序列的重现而实现的。
02
研究意义：
这项研究首次在清醒状态下的人脑检测到与记忆编码、提取相关的大脑皮层神经元序列放电，提示人脑对于特定情景的记忆编码依赖于皮层神经元特定的、有一定时间排序的发放，而记忆的正确提取则依赖于该序列放电的重现。
主要发现：
在这项研究中，他们主要运用了配对关联记忆任务（paired-associates memory task），颅内脑电记录（intracranial eeg recordings, ieeg），以及局部场电位记录等技术对特定记忆过程中神经元放电和脉冲序列进行检测和定量分析，主要发现如下：
大脑皮层的ripples振荡反映了皮层神经元的簇样放电。
在配对关联记忆任务中，作者发现受试者在编码记忆时，可以形成特定的神经元放电序列，并且该序列可以重复出现。
在正确的记忆提取过程中，在记忆编码过程中形成的特定神经元放电序列可以重放。
与内侧颞叶ripples振荡偶联的皮层神经元簇样放电对于记忆的正确提取更加重要。
可进一步拓展的研究：
在记忆编码/提取过程中均可发现皮层中ripples振荡，并伴随有神经元序列放电及重放。那么在记忆消退过程中ripples节律和神经元放电序列会发生怎样的变化？
在记忆提取过程中内则颞叶ripples节律会与皮层神经元簇样放电相偶联，其中偶联的机制是怎样的值得进一步探索。
该研究中发现短期记忆提取过程中皮层神经元放电序列会发生重放,然而在长期的记忆巩固中是否也有相似的机制参与其中仍值得深究。
本文在人脑证实了神经元形成特定的放电序列及此放电序列的重现与记忆编码和记忆提取之间的相关性，但是彼此的因果关系还需要进一步的证实，将来可以尝试选择无创或者有创手段破坏这样的放电序列，进而检测记忆提取是否受到影响。
研究思路、逻辑和方法的可借鉴之处：
michaël b zugaro，loren m frank等人之前在啮齿类动物中发现神经元放电序列重放与内侧颞叶的ripples节律关系密切，此外juergen fell等人的研究很早就发现ripples节律与情景记忆提取相关。而作者2019年发表在science上的文章已经发现在人类记忆提取过程中内侧颞叶的ripples节律会与新皮层的ripples节律相偶联，在上述研究的基础上，很容易就能推出记忆提取过程中皮层神经元放电序列是否也发生重放这一假设，作者的实验结果也验证了这一假设的正确性。因而研究者在考虑自己目前已有的发现时，结合前人的研究可能就会有意想不到的收获。
本文的研究中所采纳的样本量虽然不多，但数据之间的对比作者设计的非常巧妙，另外数据之间的前后论证也很出彩，特别是验证内侧颞叶ripples节律与单位神经元放电活动的关系，这些都非常值得读者借鉴。
fig. 1. ripple oscillations reflect burst firing of cortical neurons.
fig 1 详解
fig.1a
作者在受试者的前侧颞叶植入微电极阵列记录神经元单位放电信号及微小局部场电位信号，通过在外侧颞叶和内侧颞叶放置脑电记录电极同步收集大规模颅内脑电信号。
fig.1b 受试者电极阵列植入位置
fig.1c
ieeg可以在受试者颞中回记录到ripples节律（上），在其下方可同步记录到同样呈现ripples节律的micro-lfp信号（中）以及单个神经元的簇状放电（下）。
fig.1d
皮层神经元的锋电位与ieeg及lfp记录到的ripples振荡起始牢牢锁定。
fig.1e, f
局部场电位的ripples同样对应神经元单位放电活动增加。此外，神经元放电的优势相同时也反应了ripples节律振荡的相位。
fig. 2. burst events are organized into trial-specific sequences during successful memory formation.
fig 2 详解
作者上述研究发现颞中回神经元单位放电与ripples振荡的发生关系密切，但在记忆形成过程中神经元单位放电情况是怎样？作者进行了如下研究。
fig.2a
模式图示意配对关联记忆任务的记忆编码过程，受试者需要记忆随机配对的词汇之间的关联性。
fig.2b 在记忆形成过程可以记录到皮层神经元的簇状放电。
fig.2c 按特定时间序列重新排序上述神经元簇状放电。可以观察到，在记忆编码过程中的每个簇状放电里，神经元保持相同的放电顺序。
fig.2d
展示了在两个独立的、正确的编码过程中，神经元的放电序列。可以观察到，记忆编码过程中受试者皮层单位神经元在记忆不同的配对词汇时会反复放电，形成特定神经元放电序列，但是在记忆不同的内容时，这些单位神经元放电序列并不一致。
fig.2e
作者进一步分析了不同受试者之间的神经元放电序列相似性。发现在所有受试者中，正确编码时神经元放电序列比未正确编码时神经元放电序列更加相似。
fig. 3. memory-specific sequence replay occurs during successful memory retrieval.
fig 3 详解
既然作者的研究提示，成功的记忆编码依赖于神经元形成特定时间序列放电，那么记忆提取是否也依赖于相同神经元放电序列的重现？带着这个假设，作者开始了进一步的研究。
p.s. 在解释fig3之前，先简单介绍下作者所采用的记忆提取范式——在记忆编码阶段，受试者是通过记忆配对的词汇而进行编码，即作者记住图中的crow jeep配对，那么在接下来的记忆提取测试中屏幕中会出现jeep这一词汇，然后需要受试者口头回应crow这一词汇。这样一来，受试者在回应crow这一词汇时即进行了相应的记忆提取过程。
fig.3a,b 作者研究发现，在记忆编码阶段神经元放电序列在记忆提取过程中发生重放。
fig.3c作者进一步分析了所有神经元放电序列的相似性，发现在记忆提取过程中，放电序列似乎变得越来越类似于之前编码过程中的放电序列。
fig.3d
所有受试者记忆提取过程中，正确提取时神经元放电序列比未正确提取时神经元放电序列更加相似。
fig.3e,f
此外作者还发现真正的编码-提取过程中序列重放指数明显高于随机配对后计算出来的序列重放指数。
fig.3g
正确的记忆编码、提取过程中放电序列的相似性增加（左）并伴随有单位神经元放电频率的降低（中）以及fano因子的降低（右）。p.s. fano因子是用来衡量单位神经元放电数量变异度的指标。
fig. 4 mtl ripples precede cortical sequence replay.
fig 4 详解
来自纽约大学的györgy buzsáki教授和作者之前的研究发现成功的记忆提取需要皮层和内侧颞叶之间ripples振荡介导的相互作用。因此，作者认为虽然皮层的每个ripples振荡都可能反映了内在神经元簇样放电，但只有与内侧颞叶的ripples振荡相耦合的情况下皮层神经元簇样放电才更加与记忆提取相关。
fig.4a
模式图展示皮层序列放电重现的可能机制。左：皮层单位放电没有与内侧颞叶ripples振荡偶联。右：皮层单位放电与内侧颞叶ripples振荡偶联。
fig.4b
在正确的记忆提取过程中，只有皮层与内侧颞叶的ripples节律振荡相耦合的情况下，神经元放电序列才与记忆编码过程中的放电序列更相似。
fig.4c 作者通过量化记忆提取过程中皮层内神经元放电序列，发现序列重放发生在内侧颞叶 ripples振荡的起始位置。并且在内侧颞叶ripples振荡发生后100 ms时达到最大。
fig.4d 在所有受试者正确的记忆提取过程中，偶联内侧颞叶 ripples振荡皮层神经元序列重放显著高于未偶联内侧颞叶ripples振荡的序列重放。
- end -
