感觉皮层实质性参与工作记忆的信息保存

发布时间:2019-09-08

  7月17日,《eLife》期刊在线发表了题为《感觉皮层实质性参与工作记忆的信息保存》的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室李澄宇研究组完成,助理研究员张晓醒、博士研究生严文君为该论文共同第一作者。

  大脑的一项重要的认知功能是在数秒的时间范围里保存信息并对其进行加工操作,这一“保存、操作”的功能被称为工作记忆。长期以来,对于大脑中的神经环路如何短期保存工作记忆一直存有争议。特别是,在感觉皮层,短暂的感觉信息输入可以引起较长时间的神经元群体持续活动。此前发表的部分研究工作认为,这种持续性的神经活动并不真正参与到工作记忆的信息保存,而是被动的反映大脑其他区域的活动。这种观点认为,针对性的干扰工作记忆信息保存阶段感觉皮层中的神经活动,并不会影响工作记忆。另一种观点认为,感觉皮层可以实质性的参与工作记忆信息保存;特别是,针对性的干扰在工作记忆信息保存时间段的感觉皮层神经活动,会损害工作记忆。

  在本项工作中,研究人员训练小鼠完成若干个嗅觉认知行为任务;当小鼠做出正确反应时可以获得奖励。这些任务都需要实质性的工作记忆信息保存;特别是,在一个“双任务”设计中,小鼠既需要在工作记忆中保存一组信息,又需要同时完成另外一组竞争注意力的任务。研究人员操纵并记录了小鼠的前梨状皮层的神经活动;前梨状皮层是嗅觉皮层的一部分。当使用光遗传方法抑制前梨状皮层在工作记忆信息保存时间段的神经活动时,小鼠在各任务中的成绩水平均有下降。这种成绩水平下降是由于工作记忆保存受到干扰。进一步,研究人员通过一系列电生理记录表明,前梨状皮层神经元可以通过特定的群体活动模式,在工作记忆信息保存期间编码嗅觉信息。包括在有注意力竞争的“双任务”设计中,也可以在工作记忆信息保存时间段观察到这种编码嗅觉信息的神经活动。

  因此,本项工作表明,在工作记忆保存时间段内的前梨状皮层神经活动实质性的参与了嗅觉工作记忆的保存。

  该项工作在李澄宇高级研究员的指导下,接受了浙江大学段树民院士、西班牙IDIBAPS研究所Albert Compte研究员的指导意见,主要由助理研究员张晓醒、博士研究生严文君完成,同时课题组的博士后王文亮、助理研究员范红梅、实验师侯瑞青、陈兆琴、工程师陈禹雷、博士研究生葛超凡也做出了重要贡献。本工作得到国家自然科学基金委杰青项目、上海市科技重大专项、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委面上项目、中科院仪器装备项目、中科院重点前沿项目、上海市科委重点项目、中荷脑认知项目、西班牙科技创新教育部、欧洲区域发展基金和CERCA等项目的资助。

  

 

  图注:a. 实验设备示意。b. 工作记忆认知任务(延迟非匹配)设计。c. 通过光遗传方法干扰记忆保存阶段前梨状皮层神经活动,延迟非匹配任务正确率显著下降。数据点代表单独小鼠;***表示混合组间-组内方差分析,基因型和光操纵相互作用 p < 0.001;误差线代表平均值95%置信区间,通过重采样1000次计算。方括号内数字代表效应值,以Cohen‘s d指标计算,其中黑色代表对照组,蓝色代表光遗传操纵组(下同)。d. "双任务“设计示意。e.通过光遗传方法干扰“双任务”中,注意力竞争任务之后的记忆保存阶段,前梨状皮层神经活动,小鼠的错误响应显著增加。*,p = 0.014。f. 单个神经元动作电位发放示意(上方)和围刺激期频次直方图(下方)。阴影代表平均值95%置信区间。顶端插图:四联电极神经元发放波形记录。本图及下图数据仅包含行为反应正确的数据。g. 156个神经元在工作记忆任务中的集体信息编码,表现为选择指数(selectivity index,参见原文)。

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