研究人员发现内嗅皮层具有新的指导作用

神经科学中一个长期存在的问题是哺乳动物的大脑(包括我们的大脑)如何适应外部环境、信息和经验。在《自然》杂志上发表的一项范式转换研究中，德克萨斯儿童医院和贝勒医学院的 Jan 和 Dan Duncan 神经学研究所 (Duncan NRI) 的研究人员发现了一种称为行为时间尺度突触可塑性的新型突触可塑性背后的机制步骤(防弹少年团)。

这项研究发表在《自然》杂志上，由贝勒大学教授、霍华德休斯医学研究所和邓肯 NRI 研究员 Jeffrey Magee 博士领导，揭示了内嗅皮层 (EC) 如何向海马体(大脑区域至关重要)发送指导性信号用于空间导航、记忆编码和整合——并指导它专门重组其特定神经元子集的位置和活动，以实现响应其不断变化的环境和空间线索的行为改变。

神经元通过称为突触的连接传递电信号或化学物质来相互交流。突触可塑性是指这些神经元连接随时间变强或变弱的适应能力，作为对其外部环境变化的直接反应。我们的神经元对外部线索快速准确地做出反应的这种适应性能力对我们的生存和成长至关重要，并形成了学习和记忆的神经化学基础。

动物的大脑活动和行为会迅速适应空间变化

为了确定哺乳动物大脑适应性学习能力的基础机制，Magee 实验室的博士后研究员和该研究的主要作者 Christine Grienberger 博士测量了一组特定位置细胞的活动，这些位置细胞是专门的海马神经元，构建和更新外部环境的“地图”。她在这些老鼠的大脑上安装了一个强大的显微镜，并在老鼠在线性轨道跑步机上跑步时测量了这些细胞的活动。

在初始阶段，小鼠适应了这个实验设置，并且每圈都改变了奖励(糖水)的位置。“在这个阶段，老鼠以相同的速度连续奔跑，同时不断地舔着跑道。这意味着这些老鼠体内的位置细胞形成了均匀的平铺模式，”现任布兰代斯大学助理教授的格林伯格博士说。

在下一阶段，她将奖励固定在轨道上的特定位置以及一些视觉提示来定位小鼠并测量同一组神经元的活动。“我看到改变奖励位置改变了这些动物的行为。老鼠现在在奖励位置之前放慢了速度来品尝糖水。更有趣的是，这种行为变化伴随着周围细胞密度和活性的增加奖励位点。这表明空间线索的变化可以导致海马神经元的适应性重组和活动，”Grienberger 博士补充道。

这种实验范式使研究人员能够探索空间线索的变化如何塑造哺乳动物的大脑以引发适应性的新行为。

70 多年来，赫布理论(通俗地概括为“一起发射、连接在一起的神经元”)奇异地主导了神经科学家对突触如何随时间变强或变弱的观点。虽然这个经过充分研究的理论是神经科学领域若干进步的基础，但它也有一些局限性。2017 年，Magee 实验室的研究人员发现了一种新型且强大的突触可塑性——行为时间尺度突触可塑性 (BTSP)——它克服了这些限制，并提供了一个模型，可以最好地模拟我们在现实生活中学习或记忆相关事件的时间尺度.

使用新的实验范式，Grienberger 博士观察到，在第二阶段，在奖励位置固定后，先前沉默的位置细胞神经元在单圈内突然获得了大的位置场。这一发现与突触可塑性和学习的非赫布形式一致。额外的实验证实，在海马位置细胞和这些小鼠的行为中观察到的适应性变化确实是由于 BTSP。

内嗅皮层指导海马位置细胞如何响应空间变化

根据他们之前的研究，Magee 团队知道 BTSP 涉及一个指导/监督信号，该信号不一定位于或邻近被激活的目标神经元(在本例中为海马位置细胞)。为了确定这种指示性信号的来源，他们研究了来自附近称为内嗅皮层 (EC) 的大脑区域的轴突投射，该区域支配海马体，并充当海马体和控制高级执行/决策的新皮层区域之间的通道过程。

“我们发现，当我们特异性抑制支配我们记录的 CA1海马神经元的 EC 轴突子集时，它阻止了 CA1 奖励在大脑中过度表现的发展，”Magee 博士说。

基于几条研究，他们得出结论，内嗅皮层提供了一个相对不变的目标指导信号，指导海马体重组位置细胞的位置和活动，进而影响动物的行为。

“发现大脑的一部分(内嗅复合体)可以指导另一个大脑区域(海马体)改变其神经元(位置细胞)的位置和活动，这是神经科学中的一个非凡发现，”Magee 博士补充说。“它彻底改变了我们对大脑中依赖于学习的变化如何发生的看法，并揭示了新的可能性领域，这些领域将改变和指导我们未来如何处理神经和神经退行性疾病。”

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