《Nature》给老鼠做了记忆手术以后……

三篇同期、同主题《Nature》文章，揭示丘脑的真正职责。

　　

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大脑内某个被经常忽视的卵形结构，曾经一直被认为只是思维传导的“继电器”，5月3日，Nature和其子刊Nature Neuroscience同期报道了3篇有关丘脑（thalamus）的文章，颠覆了人们对高等动物丘脑的认识。

这三篇由美国国立卫生研究院（NIH）共同资助的报道表明，丘脑掌管着分辨事物和把持思维记忆的能力。

通过操纵丘脑神经元的活动，科学家们竟然可以控制动物记忆如何找到奖励食物的能力。研究人员说，未来我们可能通过干预丘脑活动，来治疗包括认知障碍和精神分裂的精神疾病。

“如果把大脑比作管弦乐队，我们的结果表明，丘脑很可能就是一名指挥，”纽约大学Langone医学中心的Michael Halassa博士说。

三个独立研究分别由Halassa（丘脑能通过放大皮质层连通性维持注意的维持，Nature），Christoph Kellendonk博士（丘脑投射维持处于工作记忆状态下的前额活动，Nature Neuroscience）和Karel Svoboda博士（前额丘脑皮层环路持续活动的状态保持，Nature）领导。

现今普遍认为的丘脑起“继电器”作用的观点，是建立在“它与大脑感官输入区域连接”的基础上。但是，丘脑与大脑其他部分其实是有许多联系的，并且这些联系仍有待探索。

两个小组（Halassa和Kellendonk）研究了电路的丘脑中上部与前额皮质（prefrontal cortex，PFC）关联的神经电路。

PFC是大脑的思维和决策中心。脑成像研究发现，在精神分裂患者中，这部分神经电路的连接显著减少，并且患者经常出现工作记忆障碍。

使用光遗传学手段抑制丘脑神经元活动后，小鼠丧失了正确选择暗门的能力，相反，增强刺激丘脑神经元后，小鼠的工作记忆任务完成的更好了。

Halassa和同事们让老鼠记忆有关类别区分的信息，这些信息能暗示老鼠哪扇暗门后隐藏着奖励的牛奶。同时检测老鼠的神经活动。在过去，我们只知晓丘脑大致的结构和功能，Halassa研究组的研究特化了它的具体功能是帮助工作记忆信息的保存。

丘脑帮助保存的是什么样的信息？研究人员在PFC中发现了一组神经元，这些神经元能储存如选择正确暗门这类信息。他们证明丘脑并没有（至少在本研究中）控制或者转换这类信息，反而通过提高与PFC内这组神经元的同步活动（或功能连接），开始放大PFC中有助于记忆保存的重要信息。

Kellendonk课题组在测试老鼠在迷宫中找牛奶的能力时，看到了类似的结果。动物记忆获得奖励前的所有转向（向左或向右）时，会出现一个短暂的停顿。也是利用光遗传学手段，Gordan研究了PFC神经元中的另外一个亚群——大脑的记忆中心“海马（hippocampus）”。

当动物停顿下来检索记忆时，大脑内部发生了什么？答案是，在这段短暂的延迟时间里，丘脑通过稳定的活动，向PFC输入了维持工作记忆的指令。从PFC传回丘脑的“自上而下”的信号支持了记忆检索功能，并指导动物采取行动。同时，海马也需要向PFC神经元输入奖励所在位置的相关信息。

“令人惊讶的是，我们发现了PFC的两个独立的神经元群体。一个用于编码空间位置，同时需要海马向该区域输入相关信息，另一个是用于内存维护，需要丘脑向该区域输入指令，”Kellendonk说。“这是一项具有转化意义的结果，有关这一电路出错导致工作记忆不足的进一步研究，可提高精神分裂症的诊断方法，并提出更具针对性的治疗方法。”

Svoboda小组的研究结果表明，丘脑通过与皮质（cortex）进行双向互动，在维持短期记忆中扮演重要角色。当处于路口时，老鼠需要停顿几秒钟，才能选择正确的方向。此时，研究小组发现，丘脑与运动皮质层的一部分发生了互动。神经元电监视显示，这两个结构都出现了明显的活动，表明是它们的共同作用，使皮质层内的有关方向的信息得到了维持。光遗传探针指示，这两部分的对话是双向的，皮层活动依赖于丘脑，反之亦然。也就是说，皮质电路无法独立工作，它需要其他多个大脑区域的相互参与，这其中也包括关键枢纽——丘脑。

简（shuo）单（ren）来（hua）说，小鼠模型的实验结果表明，丘脑对哺乳动物的“认路”功能具有重要影响。不仅如此，其他类似的短期记忆功能也与它有着千丝万缕的联系。试想，这部分区域被有效激活和训练后，很多与记忆障碍相关的难题将迎刃而解。

原文标题：
Schmitt LI, Wimmer RD, Nakajima M, Happ M, Mofakham S, Halassa MM. Thalamic amplification of cortical connectivity sustains attentional control. Nature, May 3, 2017. doi:10.1038/nature22073.

Bolkan SS , Stujenske JM, Parnaudeau S, Spellman TJ, Rauffenbart C, Abbas AI, Harris AZ, Gordon JA, Kellendonk C, Thalamic projections sustain prefrontal activity during working memory maintenance. Nature Neuroscience, May 3, 3017. doi:10.1038/nn.4568

Guo ZV, Inagaki HK, Daie K, Druckmann S, Gerfen CR, Svoboda K. Maintenance of persistent activity in a frontal thalamocortical loop. Nature, May 3, 2017. doi:10.1038/nature22324