Nature:首次揭示静止和睡眠时大脑空间定位网络

来源:澳门威利斯人官方网站 时间:2016-03-10浏览:0

动物对自身所处空间位置的感知和定位是通过大脑海马区来完成的。早期的研究指出,海马中位置细胞(place cell)在空间导航和情景记忆过程中扮演着非常重要的作用。然而,这些研究主要是基于对运动状态时的动物进行实验记录和分析,那么,当动物处于静止和睡眠状态时,它们又是如何感知自身所处的空间信息呢?2016年3月10日发表在《Nature》上的一篇论文《A hippocampal network for spatial coding during immobility and sleep》首次揭示了,静止和睡眠状态时动物海马区中特定的网络如何参与对所处空间位置的定位和编码。

论文的研究团队来自于美国加利福利亚大学圣地亚哥分校。实验中所采用的动物是成年雄性大鼠(8只),年龄在4-9月之间,体重为500-600g。通过让这些大鼠完成与海马有关的空间记忆任务(hippocampus-dependent spatial memory task),来同时记录海马子区CA1、CA2、CA3和DG中神经元的局部场电位(Local field potential,LFP),并分析动物在运动和静止状态时这些神经元放电活动的变化,以及与运动速度和空间位置之间的关系。

之前有研究指出,当动物从运动状态进入静止状态时,会出现尖锐的纹状波(sharp wave-ripples,SWRs)— 一种持续约100 ms的同步化网络放电事件。在此活动期间,海马位置细胞的放电频率会出现短暂的增强,随后减弱。

本论文研究人员首先记录了在SWR期,CA1、CA2和CA3中主神经元(principal cell)的活动情况(下图c)。CA1和CA3区主神经元在SWR期的放电频率均有短暂的增强,与位置细胞的变化相似,而CA2区主神经元则呈现出两种完全不同的变化。一种也与位置细胞的变化情况类似,文中称为P(positively modulated)类细胞,另一种称为N(non-positively modulated)类细胞。图d中给出了记录到的另外四个CA2 N类细胞的活动数据。同时,e图中的统计数据显示N类细胞主要是集中在CA2区,而在CA1和CA3区的分布非常少。

接下来,通过让大鼠在迷宫中自由活动,分析了各个子区中主神经元的活动状态与运动速度之间的关系。如下图a,左侧图给出的浅灰色区域表示动物的运动速度,深色表示CA2 N类神经元的放电频率,可以发现放电频率的增高主要发生在动物运动速度较低的时候。b图中给出了三个子区中神经元放电频率与运动速度的互相关图,统计结果显示CA1、CA3和CA2 P类细胞放电频率与动物的运动速度成正比例关系,而CA2 N类细胞的放电频率则与运动速度成反比例关系。结合c图中给出的运动和静止状态下不同类型细胞的放电数据统计,从而表明CA2 N类细胞主要是编码慢速运动或静止时动物海马区的活动信息。

除了对运动和静止状态时信息编码有差异外,研究人员进一步分析了CA2 P类细胞和N类细胞在空间位置编码上的差异。结果如下图所示,当大鼠在空间自由活动时,CA1、CA3和CA2 P类神经元被激活的空间范围很大,其中CA2 P类细胞对应的空间范围最大,而CA2 N类细胞对应的空间范围则非常小,表明N类细胞只会对当前特定空间位置(如:静止位置)的变化有反应。

上述的实验主要是针对清醒大鼠静止时的状态,随后研究人员分析了睡眠时期大鼠海马区的活动情况。如下图,通过对不同睡眠阶段放电情况的对比,发现CA2 N类细胞在编码方式上与其他子区及CA2 P类细胞有着显著的差异。这就更加确定CA2 N类细胞网络是专门编码静止和睡眠时期动物空间位置信息的。

对空间位置信息的准确定位和编码是大脑海马的一项重要功能,然而早期的研究对象主要是针对运动状态时的动物,对静止或睡眠状态时的情况知之甚少。本文中的这项最新研究弥补了这方面的空缺,并首次提出海马CA2区N类细胞网络是编码静止和睡眠时空间位置信息的关系核团。

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