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脑内神经编码新发现,一套细胞两种作用 精选

已有 4047 次阅读 2024-5-25 20:53 |系统分类:海外观察

长期记忆对于生存至关重要,它使动物能够使用它们积累的关于世界的知识来指导行为。神经元群(神经细胞)在特定时间和空间模式中对特定刺激作出反应;这被称为神经编码。长期记忆的神经编码是什么?

自从发现一个海马体受损的人仍然保留着回忆童年记忆的能力(包括他童年朋友的面孔)以来1,人们普遍接受长期记忆存储在大脑皮层中,由产生感觉的相同大脑区域负责,包括视觉。然而,灵长类动物记忆中丰富的感知内容是如何构建的机制完全未知。颞下皮层的神经元,这个负责高级物体识别的大型脑区,是否以不同于不熟悉物体的方式编码熟悉的(记住的)物体?

发现

我们使用电生理学结合功能性磁共振成像,后者测量与大脑活动相关的血流小变化,来研究恒河猴(Macaca mulatta)的神经反应。我们在呈现猴子熟悉和不熟悉的人脸和猴脸时,记录了颞下皮层三个与面部相关区域的神经元如何放电——前内侧、鼻周和颞极面斑。这三个大脑区域各包含许多选择性对面部敏感的神经元。对于理解视觉感知的神经编码已经取得了广泛的进展2,3,为与视觉记忆的神经编码进行比较提供了宝贵的基线。此外,鼻周面斑位于鼻周皮层内,这是一个被强烈暗示与视觉记忆有关的结构。因此,这些区域为检查代表长期视觉记忆的网络机制提供了理想的实验系统。

 

潜伏期是指呈现刺激(如熟悉的面孔)和大脑响应(神经编码)之间的延迟。我们发现,在短潜伏期,无论是熟悉的还是不熟悉的刺激都使用对所有面孔通用的代码表示,无论熟悉与否,跨越三个斑块。然而,在长潜伏期,我们发现前内侧和鼻周,但非颞极,面斑中的细胞采用了一种独特的几何旋转代码来表示熟悉和不熟悉的面孔(图1)。此外,这种代码在几个实验上下文中保持稳定,不像众所周知的“重复抑制”效应——一种假定的记忆相关现象,其中熟悉的刺激随时间产生较小的反应4。最后,即使在鼻周面斑被失活时,前内侧面斑中的记忆驱动的神经编码动态也被保留下来,这表明这些动态可能源于颞下皮层的内在、反复过程,独立于来自鼻周皮层的反馈。 

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1 | 面斑细胞在长潜伏期使用不同的轴来表示熟悉和不熟悉的面孔。a, 使用短潜伏期(第二行)或长潜伏期(底行)对两个面孔的反应重建的一个熟悉和不熟悉的面孔示例(顶行)。重建是使用训练于不熟悉面孔反应的模型进行的。因为熟悉面孔的神经编码在长潜伏期发生变化,所以左下方的重建不类似于实际面孔。b, 长潜伏期时熟悉(蓝色)和不熟悉(橙色)面孔的神经表示示意图。熟悉的面孔是由相对于表示不熟悉面孔的轴倾斜的轴表示的。

未来方向

我们认为这些发现可能不仅仅局限于对面孔的视觉记忆编码,而是可以推广到对所有长期记忆的编码。通常来说,记忆可以由那些用于感知的相同神经元来表示,但具有更长的潜伏期和通过不同的编码方案。实际上,计算工作为代码变化提供了一个通用的理由:一个完全解耦的表示本质上是低维的,添加小的非线性失真可以大大增加记忆容量5。

我们不知道我们发现的熟悉面孔的独特长潜伏期神经编码是否真的被大脑用来代表面孔记忆的目的。为了测试这一点,我们需要因果地干扰代码,并证明对面孔记忆相关行为的影响。

我们认为这些结果为理解记忆回忆的机制铺平了道路。例如,在回忆过程中,最初模糊的身份回忆会结晶成一张记得的面孔的详细画面。我们的结果表明,在回忆过程中,首先激活的是记忆代码,然后是感官代码——这与我们在感知研究中观察到的动力学相反。进一步的研究可以通过记录执行回忆的动物的神经活动来寻求确认这一点。——梁舍在美国加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院,多丽丝·Y·曹在美国加利福尼亚州伯克利市的加州大学伯克利分校。

 

专家意见

作者研究了恒河猴前内侧面斑和鼻周皮层对熟悉和不熟悉面孔的反应差异。主要发现是在不同的潜伏期,熟悉和不熟悉的面孔以不同的方式被表示。这些结果将引起研究面孔和物体识别的研究者的兴趣。我对这篇手稿印象深刻的是研究的彻底性和原始数据及更高层次总结的呈现。——卡米拉·乔兹维克在英国剑桥大学的剑桥大学。

论文背后

我们从一个模糊的想法开始,即理解面部表示的感觉代码的进步应该帮助我们理解如何表示面孔记忆。起初,我们观察到重复抑制效应,不确定我们还能找到什么。关键的一步是为熟悉和不熟悉的面孔分别计算编码轴。为了使这种计算可行,我们必须让我们的动物熟悉大量的面孔。我们看到在长潜伏期出现的编码轴的巨大差异感到惊讶。我们进行了许多控制实验来检查这是否是人为因素。例如,我们确认减少面孔对比度,这大大减少了神经放电率,并不改变编码轴。我们还仔细匹配了面孔的特征分布,以便能够解释代码变化的唯一差异是刺激的熟悉度。

 

我们对于世界的经验深刻地受到记忆的影响。无论是在杂货店根据购物清单购物,还是在社交聚会上与朋友交谈,我们的行动都严重依赖于记住大量的视觉对象。多项研究已经探索了记忆的分子12,13 和细胞14,15 基础,但网络层面的代码仍然是难以捉摸的。一首熟悉的歌曲、地点或面孔是如何通过神经元的活动被编码的呢?

最近关于下颞(IT)皮质中视觉物体身份的感觉代码的研究提示,物体被编码为一个连续的、低维的物体空间中的点,单个IT神经元将物体线性投影到特定的偏好轴上2,3,4(图1a,左)。这些轴由跨越物体空间的小集合独立参数的加权定义。这种编码方案(也称为线性混合选择性16,17,与机器学习中的解耦表示相关18)是高效的,允许大量不同的物体被少量神经元代表。实际上,恒河猴面部斑块携带的轴代码允许仅使用几百个神经元的活动就能详细重建随机现实的面孔3。

在这里,我们旨在利用最近对IT皮质中面部身份的详细感觉代码的见解3,来探索面部记忆的人群代码。神经科学的一个长期假设是长期记忆由编码感官刺激的相同皮层群体存储1。这表明,携带连续的、基于轴的、物体编码方案的相同神经元也应该支持将一组离散的记忆物体标记为熟悉的。然而,代表离散熟悉项的方案通常涉及吸引子19,20,这会导致连续表示的崩溃(图1a,右)。这提出了一个关键问题:熟悉度是否改变了IT轴代码对面部身份的编码?我们推测,发现答案可能会揭示面部记忆的神经代码。

以前的研究通常发现IT和鼻周皮质对熟悉刺激的反应减少且稀疏,并提议这种减少,或“重复抑制”,是物体记忆的神经关联5,6,7,8,9,10,11。然而,这些研究没有针对IT皮质中已知在研究的视觉物体类别的鉴别中起因果作用的特定亚区21,以及视觉特征代码被精确理解的地方3。在这里,为了研究代表长期物体记忆的神经机制,我们瞄准了三个区域:前内侧面斑(AM),IT皮质中最前面的面部斑块2,以及PR和TP,两个最近报道的分别位于鼻周皮质和前颞极的面部斑块23,24。这三个区域位于恒河猴面部斑块系统的顶端,这是一个解剖上连接的颞叶网络,专门用于处理面部22,25,26,27,28,29。AM拥有强烈的不变面部身份信号3,22,鼻周皮质在视觉记忆中扮演着关键角色30,31,32,33,而TP最近被建议为快速识别熟悉个体提供特权路径24。因此,我们假设面部记忆的表示应该发生在AM、PR和/或TP中。

我们的记录显示,在所有三个斑块中,熟悉的面孔与不熟悉的面孔有所区别。首先,在所有三个斑块中,熟悉的面孔在一个与不熟悉的面孔不同的子空间中被表示。其次,在所有三个斑块中,对熟悉面孔的相对反应幅度与对不熟悉面孔的反应幅度显著不同;然而,这种差异的符号不稳定,并且强烈依赖于熟悉和不熟悉面孔的呈现频率(即,时间上下文)。第三,最引人注目的是,在AM和PR中,但不是在TP中,熟悉的面孔在长潜伏期通过独特的几何形状被编码;此外,与反应幅度不同,与熟悉面孔相关的独特几何形状在不同上下文中保持稳定。这些结果表明,熟悉面孔的记忆主要通过轴变化而不是改变反应幅度在面部斑块AM和PR中被表示。这个结论——视觉记忆的网络代码的一个主要部分是与感知代码时间上多路复用并在长潜伏期激活——揭示了我们如何能够既真实地感知视觉刺激,又能使用相同的神经元集合从它们中回忆过去的经历。



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