引言
工作記憶（Working Memory, WM）是指在短暫時間記憶體儲和操作資訊的能力，它對大多數認知功能至關重要。然而，長期以來，關于工作記憶在群體神經元水準上的産生機制以及在長時間尺度上的演變過程，學界尚未完全了解。5月15日，一項發表在Nature雜志上的研究”Volatile working memory representations crystallize with practice“，為我們提供了關于這一領域的新見解。該研究由Arash Bellafard等人完成，他們通過訓練固定頭部的小鼠執行一項嗅覺延遲關聯任務（olfactory delayed-association task），深入探究了工作記憶在行為學習過程中的神經表征及其穩定性和因果關系。在這項任務中，小鼠需要根據兩種氣味的序列身份，在5秒的延遲後做出決策。研究人員們利用光遺傳學（Optogenetic）手段在延遲後期和選擇時期抑制次級運動皮層（secondary motor cortex, M2）的神經元活動，發現這顯著損害了小鼠的任務表現。通過顯微鈣成像技術（Mesoscopic calcium imaging）對次級運動皮層（M2）、後内側皮層（retrosplenial cortex, RSA）和初級運動皮層（primary motor cortex, M1）中的大量神經元群體進行觀察，研究人員們發現，随着小鼠學習任務的深入，M2區域中選擇性響應延遲後期的神經元數量增多。此外，工作記憶在M2區域的解碼準确性随着小鼠成為“專家”而顯著提高，而在M1或RSA區域則沒有這種變化。特别值得注意的是，研究中發現，在成為“專家”的早期階段，工作記憶在延遲後期的表征會在幾天内發生漂移，而刺激和選擇表征則趨于穩定。這表明，與工作記憶表現密切相關的延遲和選擇相關活動在學習過程中會發生漂移，并在幾天的專業表現後才穩定下來。該研究不僅為我們提供了關于工作記憶如何在大腦中形成和演變的新了解，也為治療與工作記憶受損相關的認知障礙提供了潛在的靶點。随着研究的深入，我們期待未來能夠開發出更有效的治療方法，以幫助那些受到工作記憶障礙困擾的患者。
工作記憶（Working Memory, WM）是我們認知功能中不可或缺的一部分，它允許我們短暫地存儲和操作資訊。然而，工作記憶在群體神經水準上的産生和演變機制，以及它們在長時間尺度上的變化，一直不甚清晰。
實驗設計：嗅覺延遲關聯任務研究人員訓練小鼠進行一項特殊的嗅覺任務，該任務要求小鼠根據兩種氣味的序列身份來做決策，這兩種氣味由5秒的延遲時間隔開。實驗中，小鼠首先被呈現氣味A或B，然後在5秒的延遲後，再次被呈現氣味C或D。如果氣味C跟随氣味A，或者氣味D跟随氣味B，小鼠在第二次氣味後的3秒選擇期内通過舔舐獲得水獎勵。小鼠大約經過七次訓練後，就能以94.2%的準确率（discriminability index, D′ > 3）完成任務。
神經活動的記錄與操縱為了識别與工作記憶相關的神經機制，研究人員使用了光遺傳學技術來抑制次級運動皮層（secondary motor cortex, M2）在延遲後期和選擇時期的活動，這顯著地損害了小鼠的任務表現。通過顯微鈣成像技術，研究人員觀察了次級運動皮層（M2）、後内側皮層（retrosplenial cortex, RSA）和初級運動皮層（primary motor cortex, M1）中大量神經元的活動。結果表明，随着小鼠對任務的熟練掌握，M2區域中許多特定于延遲後期的神經元出現了。
工作記憶的神經表征與行為表現研究人員發現，随着小鼠成為“專家”，M2區域中工作記憶晚延遲期的解碼準确度顯著提高，而在M1或RSA區域則沒有這種提高。在成為“專家”的早期階段，工作記憶在晚延遲期的表征在幾天内發生了漂移，而刺激和選擇表征則趨于穩定。與單平面2/3層（L2/3）成像相比，同時對多達73,307個M2神經元進行體積鈣成像，包括表層L5神經元，也揭示了随着持續練習，晚延遲工作記憶表征的穩定化。
學習過程中的神經活動變化随着小鼠學習任務，M2區域的神經活動模式發生了顯著變化。在訓練初期，許多神經元在不同的任務時期表現出顯著的活動場。随着小鼠對任務的掌握，越來越多的神經元在所有時間時期被招募。特别是在晚延遲時期，選擇性于氣味A或B的神經元數量顯著增加。值得注意的是，氣味選擇性在晚延遲時期僅在小鼠學會任務後才出現。
練習對工作記憶表征的影響研究人員還發現，随着小鼠持續練習任務，M2區域的晚延遲工作記憶表征逐漸穩定化。在“專家”階段的早期，工作記憶表征在晚延遲時期表現出日常的波動，但随着持續的練習，這些表征趨于穩定。這種穩定性的獲得可能是通過持續的練習，将神經活動推向單一的吸引子狀态，進而在不同天數之間保持穩定。
這項研究提供了關于工作記憶如何在大腦中形成和穩定化的深刻見解。它揭示了在學習過程中，特定腦區的神經活動如何經曆從波動到穩定的變化，并指出了這種穩定性對于工作記憶表現的重要性。這些發現不僅增進了我們對工作記憶神經機制的了解，也可能為治療相關神經疾病提供新的視角。
原文連結
Bellafard A, Namvar G, Kao JC, Vaziri A, Golshani P. Volatile working memory representations crystallize with practice. Nature. 2024 May 15. doi: 10.1038/s41586-024-07425-w. Epub ahead of print. PMID: 38750359.
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07425-w
責編|探索君
排版|探索君
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