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大腦中執行不同認知功能環路之間的協同作用

發布時間:2020-11-19

  大腦的一個核心功能是創造和保留外部世界的內在表征并指導行為,記憶(Memory)一詞指的就是這種 "保留"。傳統來說,人們認為記憶包括三個主要過程:編碼(Encoding)、存儲(Storage)和索回(Retrieval)。編碼是指大腦將感覺運動信息轉化為廣泛的神經表征的能力,涉及大腦中不同的感覺皮層、聯合皮層和調控相關的腦區及結構。一旦信息編碼完成,通過突觸連接的變化而體現出的廣泛分布的神經模式的狀態就可以被儲存起來,并在之后可能被重新檢索出來。記憶可以是短暫而有限的,也可以是看似有無限容量的,分別被稱為短期記憶和長期記憶。 

  長期記憶包括范圍較廣,從像習慣化(Habituation)、敏化(Sensitization)的初級記憶(Elementary memory)和非聯想型記憶(Non-associative memory),到較復雜的記憶如情景記憶(Episodic memory)和語義記憶(Semantic memory)都在其內。 情景記憶存儲的是發生什么事(What)、在什么地方(Where)、在什么時間(When)類型的信息,而語義記憶則是指對事實、事件、思想和概念的了解,涵蓋范圍也很廣,包括歷史和科學事實的信息、詞語的含義,甚至是復雜的句子,如數學公式等。情景記憶和語義記憶通常也被歸為陳述性記憶(Declarative Memory),與程序性記憶(Procedural Memory)相對應,后者是我們發展長期技能的基礎,如說話、走路、騎自行車或演奏樂器等。 陳述性記憶涉及的神經元群體包括端腦和邊緣系統,如海馬、杏仁核和隔核,而程序性記憶則由初級感覺皮層和運動區的神經元群體、聯合皮層以及紋狀體和小腦等結構組成。 

  除了神經基礎的差異外,陳述性記憶與程序性記憶的鞏固也發生在不同的睡眠狀態下,如快速眼動(REM)和非快速眼動(NREM)睡眠時期。長期以來,人們通過使用肌電圖、心電圖和電生理記錄等多種記錄手段來研究這些睡眠狀態的顯著性特征。快速眼動期在我們入睡后約90分鐘開始,持續時間約10分鐘,而其在最后睡眠階段的持續時間逐漸達到整整一個小時。快速眼動期的特點是眼球運動、心率和呼吸頻率增加以及做夢。而非快速眼動的發作則與更深的睡眠階段有關,其中在最深的睡眠階段,由于該時期大腦皮層緩慢的上下振蕩(Up-down oscillation)因而被稱為慢波睡眠(Slow-wave sleep),它與陳述性記憶的鞏固有關。快速眼動和非快速眼動期具有完全不同的神經化學水平,并以不同的內在神經事件作為標志,如分別出現在腦橋的腦橋-膝狀體-枕葉波(Pontine-Geniculate-Occipital waves , PGO),以及出現在海馬區域的尖波漣漪(Sharp-Wave Ripples , SWR)和θ波震蕩(Theta-bouts 2-15Hz的短暫振蕩)。海馬長期以來一直被認為在睡眠過程中發生著可塑性變化,在編碼和鞏固長期記憶中起著重要作用,其中尖波漣漪被認為是海馬和大腦皮層之間密集互動形成系統固化(System-consolidation)的表現。然而,僅靠系統固化是無法創造持久性記憶的,因為海馬與皮層間相互作用引起的皮層變化需要皮層下神經調節結構的精確穩態控制,以促進長時程增強作用(Long term potentiation)。一個很好的例子是腦橋的膽堿能活動可能通過PGO波介導。但是,尖波漣漪事件是否會與某種腦橋活動同時發生呢? 

  在最近一期的《自然》雜志上發表的研究中,Logothetis實驗室利用獼猴的多種神經活動記錄手段,首次證明了腦干確實是通過PGO波短暫地調節了海馬腦網絡事件。兩種在生理上不同類型的PGO波似乎依次發生,分別選擇性地影響高頻漣漪和低頻θ波震蕩事件。兩種類型的PGO波與海馬區域相反的動作電位場耦合相關,促使神經元群體在漣漪和θ波震蕩時期出現高度神經發放同步行為。該實驗結果隨后也得到了神經事件觸發的功能磁共振成像(Neural-event triggered functional MRI)中實驗證據的支持,證明了多種學科的技術方法在系統神經科學研究中的價值。 

  PGO波和漣漪之間這種令人驚訝的耦合支持了這樣一個概念,即膽堿能腦橋瞬態對海馬睡眠動態的全局協調機制可能會促進系統和突觸記憶鞏固以及突觸穩態的形成。 

  Logothetis教授已受聘為中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心-國際靈長類中心的聯合主任。 

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