Science：新皮质在记忆形成中的门控假说——鼻周皮层-新皮质环路的调控机制

记忆形成之后会被转移到皮层长期储存，这期间的神经机制一直以来是研究者们试图解释的谜团。内侧颞叶和新皮质之间的大脑结构之间的信息传递在学习记忆中至关重要。然而，新皮质结构中与记忆储存的脑区分布广泛，给进一步解释环路机制带来了困难。

近日德国柏林洪堡大学Matthew E. Larkum等人的研究解析了鼻周皮层（PRh）向新皮层1层（L1）的输入信号和学习调控间的关系，其结果发表在《Science》上。

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鼻周皮层（PRh）属于内侧颞叶（MTL），和新皮质、杏仁核、海马等结构间都有广泛的投射。新皮质第五层（L5）的椎体神经元的簇状树突位于新皮质第一层（L1）。很多证据表明新皮质第一层（L1）参与非海马依赖的学习，研究者猜测L1在海马依赖的学习中也受到MTL的调控，从而影响学习。

首先，他们通过神经元顺追和逆追证明了PRh到L1的投射。接着他们训练实验鼠将L5的微弱电刺激和糖水奖励偶联起来，并通过在体双光子，在L1观察到了学习诱导的PRh神经元轴突激活。然后为了证实PRh到L1的投射在记忆形成中的作用，研究者在L1化学遗传抑制PRh投射来的轴突，发现其严重损伤了实验鼠的学习能力。

那么微刺激学习过程中，PRh到底向新皮质传输了什么信息呢？研究者在学习过程中记录了PRh的放电情况，发现与选择错误的时候（miss）相比，小鼠选择正确的时候（hit）PRh的放电频率增加，相应地，在L5的神经元中也记到了这种电活动增加。

对于完成学习的实验鼠（expert），此时PRh的传入已经不能影响学习结果。在expert中刺激L5神经元可以观察到其放电频率的变化，在没有经过学习的小鼠中则不能。而化学抑制或光遗传抑制L5锥体神经元在L1的树突则使学习变差，提示学习过程中L5锥体神经元的树突接受调控，可塑性改变。

最后，研究人员在expert的L5中进行爆发式微刺激，恢复了学习行为，而常规的微刺激则收效甚微。

至此，作者提出了新皮质在记忆形成中的门控假说：PRh投射到L5锥体神经元在L1的簇状树突，学习过程中PRh兴奋性增强，通过树突调控L5椎体神经元。在学习转变为长期记忆后，L5神经元本身可塑性改变，可以不依赖PRh的投射，直接被爆发刺激激活，恢复学习行为。

这些结果进一步探究了学习涉及的神经反馈信号的可塑性，这不仅加深了我们对大脑的理解，而且还会启发人工循环神经网络中的学习。

参考信息：

Doron G, Shin JN, Takahashi N, Drüke M, Bocklisch C, Skenderi S, de Mont L, Toumazou M, Ledderose J, Brecht M, Naud R, Larkum ME. Perirhinal input to neocortical layer 1 controls learning. Science. 2020 Dec 18;370(6523):eaaz3136. doi: 10.1126/science.aaz3136. PMID: 33335033.

作者信息

 

编译作者：小鱼干（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

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