相位放电在序列记忆中的作用：突破传统认知的新发现

《Nature Neuroscience》：Phase of firing does not reflect temporal order in sequence memory of humans and recurrent neural networks

为探究序列记忆中神经元放电与事件顺序的关系，研究人员对 MTL 神经元及 RNNs 展开研究，发现放电相位与项目顺序不匹配，为记忆研究提供新视角。

　　

探索记忆的神秘编码：打破传统认知的序列记忆研究

在我们的日常生活中，记忆就像一座庞大而复杂的图书馆，存储着各种经历和信息。而序列记忆，作为其中关键的一部分，负责记录事件发生的先后顺序，帮助我们理解和应对周围的世界。想象一下，你回忆一天的活动，从早上起床、洗漱，到出门上班、开会，这些事件的顺序在记忆中准确呈现，这都依赖于序列记忆的功能。

长期以来，科学家们一直试图揭开序列记忆的神经机制奥秘。有一种被广泛接受的理论认为，神经元在 theta 振荡（2 - 8Hz 的脑电波振荡，常见于记忆处理过程）不同相位的有序放电，能够反映事件的时间顺序。这就好比神经元们按照特定的节奏 “跳舞”，每个 “舞步” 都对应着一个记忆事件的顺序。然而，这个理论真的正确吗？随着研究的深入，越来越多的疑问浮现出来。虽然已知内侧颞叶（MTL）在记忆处理中起着关键作用，其中的神经元在记忆任务期间会有特定的活动，theta 振荡也与记忆紧密相关，但在人类 MTL 中，多个项目的顺序在神经层面究竟是如何编码的，仍然是一个未解之谜。尤其是，神经元放电的 theta 相关相位是否存在差异，以及其顺序是否与记忆项目的顺序匹配，这些问题亟待解答。

为了深入探究这些问题，来自德国波恩大学医学中心癫痫学系、图宾根大学等多个研究机构的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Nature Neuroscience》杂志上，为我们理解序列记忆的神经机制带来了新的曙光。

研究人员采用了多种先进的技术方法来开展这项研究。首先，他们对 16 名患有癫痫的患者进行了研究，这些患者在进行癫痫手术前需要进行颅内脑电图监测。研究人员利用深度电极记录了患者内侧颞叶区域（包括海马体（HPC）、内嗅皮层（EC）、海马旁回皮层（PHC）和杏仁核（AM））1420 个神经元的放电活动以及 921 个通道的局部场电位（LFP，反映神经元群体活动的一种电生理信号）。同时，让患者执行一项顺序多项目工作记忆任务，在任务中，患者需要记住一系列图片的顺序。其次，研究人员训练递归神经网络（RNNs，一种能够处理序列数据的神经网络模型）来执行类似的任务，通过模拟神经元的活动，进一步探究潜在的神经机制。

研究结果令人惊讶，它挑战了传统的理论认知。

1. 项目位置对放电率的影响：在工作记忆期间，研究人员发现 MTL 神经元的放电率并没有随着记忆项目的位置变化而呈现出系统性的改变。虽然在编码阶段，神经元对刺激的反应存在所谓的 “首因效应”，即对第一个位置的刺激反应最大，但在记忆维持阶段，不同位置的刺激并没有引起放电率的显著差异。这表明，记忆中项目的顺序似乎并没有在 MTL 神经元的放电率变化中得到体现。
2. theta 振荡和尖峰相位耦合：研究证实了之前的发现，即在工作记忆维持期间，theta 振荡功率显著增加，尤其在海马体和内嗅皮层区域最为明显。同时，神经元的放电与 theta 相位存在紧密的耦合关系，且这种耦合在记忆特定刺激信息时会增强。然而，有趣的是，尖峰相位耦合的强度与刺激在序列中的位置并无关联。这说明，虽然 theta 振荡和尖峰相位耦合在记忆过程中发挥着重要作用，但它们与刺激位置的关系并非简单直接。
3. 放电相位与序列位置的关系：研究发现，神经元的偏好放电相位确实会随着记忆项目在序列中的位置而发生变化，并且这种关系在刺激选择性较高的神经元中更为明显。通过计算圆形方差解释（Vex?）等方法，研究人员发现不同序列位置的刺激会导致神经元在 theta 振荡的不同相位放电。同时，利用支持向量机（SVM）算法进行解码分析发现，基于放电相位可以在一定程度上解码出刺激的位置，尤其是在海马体、内嗅皮层和海马旁回皮层的神经元中表现更为突出。
4. 放电相位顺序与项目顺序的对应关系：尽管神经元的放电相位与序列位置存在关联，但令人意外的是，放电相位的顺序并不与记忆项目的顺序相匹配。根据 Lisman 的模型预测，在工作记忆中，相位和刺激顺序应该是等价的，但研究人员的实验结果却并非如此。无论是在人类神经元数据还是在 RNNs 模型中，只有少数神经元的放电相位顺序与项目顺序一致，大部分神经元的相位顺序与项目顺序并不相符。
5. RNN 模型中的相位调制：研究人员训练的 RNNs 模型在执行类似任务时，也出现了 theta 振荡和刺激选择性等与人类神经元数据相似的现象。通过对模型的分析发现，刺激会导致神经元的 theta 振荡相位重置，从而产生特定的相位顺序。这种相位顺序与振荡频率和刺激 onset asynchrony（SOA，刺激开始的时间间隔）密切相关。在实验数据中，研究人员也验证了这一关系，表明相位顺序与振荡周期和 SOA 的比率有关。

在讨论部分，研究人员指出，虽然他们的研究结果支持了 Lisman 模型中关于记忆项目的序列位置在放电相位中编码的观点，但同时也发现相位顺序并不反映项目顺序，这与传统理论存在冲突。一种可能的解释是，记忆过程中的序列重放并不一定反映物理刺激的顺序，而是受到学习等因素的影响，反映了内部的处理状态。此外，与啮齿动物的短期记忆研究相比，人类和啮齿动物在序列记忆的神经机制上存在一些差异，例如在振荡频率的作用等方面。RNNs 模型为理解这些非有序相位关系的出现提供了一种潜在的机制解释，即刺激诱导的相位重置。这一发现不仅为工作记忆内容的编码提供了新的视角，也表明 theta 振荡可能在 MTL 的时间编码中发挥着更广泛的作用，为后续研究开辟了新的方向。

总的来说，这项研究通过对人类 MTL 神经元和 RNNs 的深入研究，揭示了序列记忆中神经元放电相位与项目顺序之间复杂的关系。它挑战了传统的理论观点，为我们理解记忆的神经机制提供了新的证据和思路，对未来进一步探索记忆的奥秘具有重要的指导意义。