【论文笔记】Cracking the neuronal code of episodic memory

文献属性

J：Science
发表时间：2023
IF：56.9

报告重点

Episodic Memory （情景记忆）

概念：是将事件的记忆与其空间与时间背景相关联的能力
内在能力：利用过去的经验来预测未来（例：当在熟悉的迷宫中寻找食物奖励时，啮齿动物可以根据过去试验的记忆预测即将到来的奖励位置。）
hippocampus, and the location-locked activity of hippocampal principle neurons (place cells), is critical for the associative and predictive aspects of episodic memory. (ref in 3, 4)海马体和海马区主要神经元(位置细胞)的位置锁定活动对情景记忆的联想和预测方面至关重要。然而，这两种不同的功能是否由共同的或可分离的神经元代码支持仍然不清楚。
Liu等人（5）报告道，大鼠的hippocampal associative和predictive codes由相互关联但又截然不同的回路机制（circuit mechanisms）支持，这表明Episodic memory额能在大脑中是分层组织（hierarchically organized）的。

Location-specific activity （位置特异性活动）

通常在小鼠和大鼠中观察到的hippocampal place cells是一类表现出’location-specific activity’的神经元。
LSA编码了空间位置与环境地标 and/or 边界之间的关系（encodes relationships between a spatial location and environmental landmarks and/or boundaries）
Place cells that are active in the same spatial location are said to belong to the same cell assembly
在相同空间位置中处于活动状态的place cells被认为属于the same cell assembly
因此，由cell assemblies （细胞集合体）表达的LSA可以代表联想记忆的neuronal substrate （神经元衬底）

Place cells与θ-sequence *

Place cells也表达一种序列编码：嵌套在θ带振荡（啮齿动物运动过程中在海马体观察到的神经元活动的振荡）内的是多个细胞集合体（cell assemblies），它们按顺序激活（fire in sequence）并编码relationships between sequentially visited places (theta sequences).
值得注意的是，在θ序列中，细胞集合体表示的空间表征先于动物进行的活动。换句话说，θ序列提供了即将到来的空间位置的预测。
这些假定的associative (assembly) and predictive (sequence) hippocampal codes在sharp-wave ripple (SWR) oscillations期间重放（replay）。这些振荡在睡眠或休息期间观察到，从而使其能够长期存储（long-term storagy）。
尽管这些海马体编码方案已经被广泛研究，但它们对episodic memory特定方面的贡献尚未得到证实。
为了解决这一知识gap，刘等人使用光遗传学方法来控制大鼠内侧内嗅皮层（median entorhinal cortex, MEC）中表达γ-aminobutyric acid (GABA)（g-氨基丁酸）的神经元活性。这些神经元为海马体提供主要输入，并控制与θ带振荡相关的主要海马体细胞的活动时间。
通过将表达GABA的细胞引入人工频率，作者可消除θ序列，同时保留海马体细胞集合体的表达。
破坏海马体的MEC输入也会导致θ序列重放的选择性破坏，而细胞集合体的重放不受影响。因此作者能够破坏海马体的假定预测编码，同时保持联想编码不变。

评估上述干扰如何影响依赖于不同情景记忆过程的两种范式的学习（Liu et al.)

在一种范式中，大鼠学会将圆形平台的一半与奖励（条件位置偏好（CPP））联系起来。
该任务是对联想记忆（associative memory）的测试，因为它要求动物学习特定区域和奖励之间的关联。
在另一种范式中，动物学会按顺序导航到平台上的三个奖励位置。
该任务可能还需要预测能力，因为最佳导航的顺序需要老鼠了解不同位置之间的联系——即预测下一项奖励的位置。作者发现，破坏假定的预测编码不会损害CPP任务中的学习。
空间导航任务的表现受到严重影响，这表明associative code足以用于CPP学习，但不足以用于空间导航学习。说明稳定的place cell predictive code by replay sequences可能需要至少在某些方面的情景记忆功能。
多项研究表明，破坏SWRs和细胞集合体重放会干扰学习。然而sequence replay支持记忆方面的直接证据一直缺乏。
预测编码对于其他episodic memory可能是可有可无的。
Liu等人发现老鼠可以在没有θ和replay sequences的情况下形成长期联想记忆。这表明cell assemblies的表达及其随后在休息期间的重新激活可能足以完成episodic memory的核心组成过程。

Liu et al.'s finding

这些发现对于理解影响episodic memory的神经退行性和神经发育障碍（包括阿尔兹海默症和自闭症谱系障碍）具有重要意义。
联想记忆与预测能力可能受到可分离神经元编码的支持，这可能意味着episodic memory的这些特定方面在这些疾病中受到不同的影响。和/或在进行性疾病（例如阿尔兹海默症）的不同阶段受到影响。

关于假定的海马体预测编码是否适用于利用预测能力的其他任务问题（Liu et al.)

一种解释：由于其顺序性质，空间导航任务需要predictive code（通过sequential hippocampal activity（顺序海马体活动）表达）。也许未来的研究可以评估海马体预测编码是否也参与更通用的预测学习。（例如在熟悉的环境中引入障碍时，它是否有助于导航）

对于研究“预测编码”的看法

预测编码在推理中的作用是一个重要的研究途径。
Liu等人指出，利用时空信息进行推理的能力是预测能力的核心。例如动物在与熟悉的环境相似的前所未见的新环境中寻找rewards时，所描述的hippocampal predictive code是否可以指导学习？
认识支持推理（inference)的神经元编码方案是一个令人兴奋的研究前沿。