【Nature·Neuroscience】揭秘: 海马细胞如何维持稳定的空间环境地图

来源:澳门威利斯人官方网站 时间:2017-04-12浏览:0

 

在日常生活中,我们对周围环境中位置的感知需要一个稳定的与位置信息有关的空间地图,那么如何获得和维持稳定的空间环境地图至今仍没有一个明确的答案。

早期的研究指出,海马区神经元群体尖波纹状(sharp wave-ripples, SPW-R)放电活动与回溯性(retrospective)和前瞻性(prospective)空间信息的编码有关,那么SPW-R活动是否参与了空间信息的表征,即空间位置地图的形成呢?近期的一篇研究给出了可能的答案。该研究于2017年4月10日在线发表于《Nature·Neuroscience》杂志上,标题为《Sharp wave ripples during learning stabilize the hippocampal spatial map》。

该论文的研究团队主要来自于美国纽约大学,通讯作者为György Buzsáki教授。研究中所采用的实验动物为转基因小鼠,年龄在3-5个月。实验中,通过对小鼠进行行为学训练,让它们对空间位点进行学习并形成记忆,得到相应的空间位置地图(spatial place map)。然后,用光遗传学技术选择性地控制海马CA1区位置细胞(place cell)的活动状态,并利用电生理技术记录神经元具体的放电波形(local field potential, LFP),最后对数据进行统计分析。

图1中给出了动物实验的主要流程。如图a,行为学实验大体分为5个部分:1). 实验前动物的自由运动;2). 回到笼子里休息1个小时;3). 进行学习任务,期间通过光遗传学手段控制CA1区细胞的活动状态;4). 再回到笼子里休息1小时;5). 训练完之后的自由运动。图b中,小鼠头上的两个LED灯用于实时跟踪小鼠的行为轨迹。图c中显示了,经过多次训练后,小鼠海马区位置细胞群形成了较为稳定和清晰的空间活动地图。

 

图1. 实验的主要流程

 

首先,研究人员比较了利用光遗传学手段进行光照前后,海马区位置细胞放电活动的变化。左图中显示,当检测到SPW-R活动后,进行光照刺激,从空间活动地图中可以看出,光照后海马区细胞的放电活动在增加。右图中,给出了具体的LFP信号,其中:第一行是在检测到SPW-R后立即施加光照刺激;第二行是没有施加光照刺激;第三行是在检测到SPW-R约300ms的delay后,施加光照刺激,此种情况下,神经元活动的变化主要是由光照引起的,与前期SPW-R的活动无关。

 

图2. 光照刺激前后,海马位置细胞放电活动的变化

 

图3中给出了光照刺激前后,多组实验下位置细胞空间活动地图的变化情况。从中可以发现,与无光照时的对照组(Control)相比,SPW-R后立即实施光照(对应Silenced)会显著改变原有的空间活动地图,SPW-R后延迟实施光照(对应Delayed)对原有的空间活动地图无显著的影响。

 

图3. 光照刺激前后,海马位置细胞空间活动地图的变化

 

最后,作者通过引入稳定性指标(stability score)分析了SPW-R期,光照刺激对空间活动地图的影响。如图4所示,同control时相比,SPW-R期间位置细胞活动的变化会显著降低空间活动地图的稳定性,而非SPW-R期位置细胞活动的变化对空间活动地图无显著的影响。这组结果表明了,SPW-R活动在维持海马空间位置地图稳定性方面的重要作用。

 

 

对周围环境信息的探知是人和动物大脑神经系统的一项重要功能。基于环境信息形成的空间位置地图有助于我们快速准确地找到想要到达的地方,这其中空间地图的稳定性就显得尤为重要。长期以来,有关这种稳定性形成的神经生理基础并不清楚。本文中介绍的这篇研究首次揭示了海马CA1区锥体细胞的SPW-R活动在编码空间地图稳定性方面具有非常重要的作用。该研究结果为我们进一步理解和认识大脑对空间信息的编码过程提供了帮助。

 

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