《Neuron》“不确定带”影响大脑形成新记忆的能力

研究人员发现了“不确定带”是如何与大脑皮层沟通的。

　　

新皮层是大脑中最大、最复杂的部分，长期以来一直被认为是长期记忆的最终存储场所。但过去的事件和经历是如何在那里留下痕迹的呢?由Johannes Letzkus教授和马克斯·普朗克大脑研究所领导的弗莱堡大学医学院的研究人员发现，大脑中一个很少被研究的区域，即“不确定区”或“不确定带”，以非常规的方式与新皮层沟通，以快速控制记忆的形成。他们的工作首次对长期抑制如何影响大脑皮层中的信息处理进行了功能分析。在这项研究中发现的信号可能不仅对记忆至关重要，而且对一些其他的大脑功能也至关重要，比如注意力。研究结果刚刚发表在《Neuron》杂志上。

“自上而下的信号”是研究的核心

记忆是大脑最基本的功能之一，它使人们能够从经验中学习，记住过去。此外，对记忆的机制理解可以影响从记忆和焦虑症的治疗到人工智能和高效硬件和软件设计的发展。为了形成记忆，大脑必须将来自环境的“自下而上”感觉信号和内部产生的“自上而下”信号联系起来，这些信号传达了过去的经历和当前的目标。这些自上而下的信号是当前研究的中心焦点。

近年来，研究人员已经开始识别出许多这样的自上而下的投影系统，它们都有一些共同的特征:它们通过突触兴奋发出信号，突触兴奋是在皮层区域之间发送信息的标准方式，它们也表现出记忆编码的共同机制。具有学习相关性的刺激会在这些系统中引发更强烈的反应，这表明这种积极的增强作用是记忆痕迹之谜的一部分。

对网络功能的影响

与这些系统相比，远程抑制通路要稀疏得多，数量也少得多，但越来越多的证据表明，它们仍然可以对网络功能和行为产生惊人的强大影响，”弗莱堡大学教授、马克斯·普朗克大脑研究所前研究小组负责人Johannes Letzkus教授说。“我们开始确定这种输入是否存在于新皮层中，如果是的话，它们是如何独特地促进记忆的。”

Anna Schroeder博士是这项研究的第一作者，也是Letzkus实验室的博士后研究员，她决定专注于一个主要抑制的丘脑下核，即不确定带，来解决这个问题。尽管这个大脑区域的功能正如它的名字所暗示的那样神秘，她的初步发现表明，不确定带发送抑制性投射，选择性地支配已知对学习很重要的新皮层区域。在她努力研究该系统在学习各个阶段的可塑性的过程中，她实施了一种创新的方法，使她能够在学习范式之前、期间和之后跟踪新皮层中单个不确定性带突触的反应。

学习过程中的活动再分配

“结果是惊人的，”Schroeder回忆道。“虽然大约一半的突触在学习过程中产生了更强的积极反应，但另一半的情况恰恰相反。实际上，我们观察到的是由于学习，系统内抑制的完全重新分配。”这表明不确定带突触以一种独特的双向方式编码先前的经验。当科学家们将可塑性的大小与获得性记忆的强度进行比较时，这一点尤其明显。他们发现了一种正相关，这表明不确定带投射编码了感官刺激的学习相关性。

在单独的实验中，Schroeder发现，在学习阶段沉默这些投射会损害之后的记忆痕迹，这表明在这些投射中发生的双向可塑性是学习所必需的。她还发现，这些抑制性投射优先与新皮层中的其他抑制性神经元形成功能连接，实际上形成了一个远程去抑制电路。“这种连通性意味着不确定带的激活应该会导致新皮层回路的净兴奋，”Schroeder说。“然而，将这与我们在学习中看到的抑制的重新分配结合起来，表明这一途径可能对新皮层处理具有更丰富的计算结果。”

刺激表征的变化

科学家们对表现出负增强的不确定带突触群特别感兴趣，因为这种类型的可塑性从未在以前研究的自上而下的兴奋性通路中观察到过。他们认为计算方法可能会为这些独特的反应如何发展提供有价值的见解。与柏林技术大学Henning Sprekeler教授博士和他的团队合作的进一步分析显示，值得注意的是，这些负面反应是学习过程中刺激表征变化的主要驱动力。

此外，不确定带是帕金森患者深度脑刺激的少数标准目标区域之一，这为未来的转化工作开辟了一种有趣的可能性。Letzkus说:“最终，这项研究也有望激励其他研究人员继续探索远程抑制在调节新皮层功能中的作用，包括不确定带和其他尚未确定的来源。”

Anna Schroeder, M. Belén Pardi, Joram Keijser, Tamas Dalmay, Ayelén I. Groisman, Erin M. Schuman, Henning Sprekeler, Johannes J. Letzkus. Inhibitory top-down projections from zona incerta mediate neocortical memory. Neuron, 2023