Science|记忆从皮层来到皮层去！科学家揭示皮层形成记忆的新路径

在过去的几十年里，人们认为特定认知功能局限于不同脑区，随着研究的不断深入,目前认为大脑形成高级认知功能需要多个脑区协调完成。自1950年以来,一直认为长期记忆储存在新皮层，而短期记忆则是在海马等脑区形成，随后迁移至新皮层。

从进化的角度看,皮层分为新皮层和旧皮层。旧皮层的分层结构不清晰,占整个皮层的比例很小,此外其进化较早,介导的功能较为基础。而新皮层占据成年人整个大脑皮层表面的94%,具有明显的6层结构,参与高级认知功能。新旧皮层之间的过渡结构位于海马周围的内嗅皮层的等旁边缘皮层,属于边缘系统的一部分。

2020年12月18日德国柏林洪堡大学生物研究所Matthew E. Larkum发现来自于海马旁区域鼻周皮层调控初级躯体感觉皮层的神经元放电活动介导记忆的形成。

研究人员向大鼠初级躯体感觉皮层(primary somato-sensory cortex,S1)第1层(S1 -L1)注射逆行示踪染料,发现鼻周皮层投射到S1-L1层。在训练初期通过弱电流刺激S1的L5层神经元后，无论是否做出舔舐的动作都会给与糖水奖励,在此过程中小鼠和大鼠正确的做出舔舐的动作,即为hit，未能及时做出反应，即为loss,随着训练的增加, 小鼠和大鼠的hit次数增多，表明这些动物能够快速get舔水的技能。

短暂的微弱电刺激皮层第5层单个神经元后可以建立感觉活动与行为的直接联系。研究人员利用该模型可建立皮层相关的学习记忆任务，并未采用海马相关的行为学实验。但是在同侧海马注射利多卡因后小鼠和大鼠并不能正常学习上述任务，这就表明海马脑区整合来自于皮层的记忆信息，并进一步投射到上游脑区。

鼻周皮层位于皮层信息处理的最高层，它从多个感官收集信息，随后将信息传回大脑皮层的其他部分。研究人员通过光纤记录系统发现在电刺激后鼻周皮层钙离子活动明显增强。此外在hit过程中鼻周皮层神经元放电活动增强，在loss过程鼻周皮层神经元放电活动减弱。随后的研究表明鼻周皮层正是通过促进L5皮层的神经元放电活动来促进学习的。

化学遗传学抑制鼻周皮层到S1 -L1的神经环路后，这些小鼠的学习记忆受损-学了就忘,学了就忘。一种莫名熟悉的感觉,是不是和高中老师经常挂在嘴边那句:昨天讲过了的东西,今天就忘记了，脑子哪根神经搭错了。此刻,我好想理直气壮告诉老师,我的鼻周皮质到S1 -L1环路堵了。

更有意思的是，当这些动物在通过训练后，成为该学习行为的“能手”后，即便是抑制鼻周皮层神经活性，对动物的学习行为没有任何的影响，熟能生巧，不再手外界干扰。研究人员发现在成为学习“能手”的动物的L5皮层存在三种类型的神经元：on神经元（放电率增加，约11%），off神经元放电率下降（约40%），NR神经元（约一半的神经元并不响应）。

一段时间后，在给与更低微电流（比训练期电流更低）刺激on神经元能够唤起动物的记忆。之前的研究也表明记忆印迹细胞的放电活动强于非记忆印迹细胞的活动。这些结果表明劈里啪啦的放电活动可能表征记忆细胞。

总的来说，本文揭示了鼻周皮层调控在新皮层形成的学习记忆，这一过程特点表现为第5层（L5）锥体神经元的特定亚群中出现不同的放电反应。鼻周皮层更是成为记忆的守门人。

【参考文献】

1.Doron et al., Science 370, 1435 (2020)，Perirhinal input to neocortical layer 1 controls learning