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《自然•神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）在線發(fā)表了北京師范大學(xué)認知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室章曉暉教授課題組關(guān)于大腦關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)的內(nèi)嗅皮層−海馬環(huán)路機制的重要發(fā)現(xiàn)。此論文將作為封面推薦文章正式發(fā)表于 4 月刊《自然•神經(jīng)科學(xué)》。

當(dāng)我們在探索一個新環(huán)境或城市時，不但需要錨定自己的空間位置，同時也收集標(biāo)定周邊環(huán)境和物體的特征，并將這兩方面信息關(guān)聯(lián)在一起形成可描述的場景記憶在大腦中存儲。我們大腦的內(nèi)側(cè)顳葉中一個形狀類似海馬的結(jié)構(gòu)體 “海馬”與其相連的內(nèi)嗅皮層是負責(zé)和執(zhí)行這些功能的關(guān)鍵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)嗅皮層−海馬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是大腦學(xué)習(xí)、形成場景（陳述式）記憶、以及執(zhí)行空間導(dǎo)航的關(guān)鍵中樞，其中zui矚目證據(jù)來自于對 H.M. 病人順行性失憶癥的研究、以及 2014 年諾貝爾獎獲得者約翰·奧基夫（ John O’Keefe）、梅 - 布里特·莫澤（May-Britt Moser）和愛德華·莫澤（Edvard Moser） 教授發(fā)現(xiàn)的海馬“位置細胞”和內(nèi)嗅皮層“網(wǎng)格細胞”。

圖 1，內(nèi)、外側(cè)內(nèi)嗅皮層→海馬 CA1 的長程通路和直接通路

內(nèi)嗅皮層是大腦皮層加工后的感覺信息進入海馬體的“閘門”（gate）。一般認為，空間位置（where）和物體特征（what，如氣味、形狀和聲音等）信息分別由內(nèi)側(cè)和外側(cè)內(nèi)嗅皮層輸入海馬體進行關(guān)聯(lián)、學(xué)習(xí)和記憶。 早在 1893 年，西班牙神經(jīng)解剖學(xué)家拉蒙 - 卡哈爾（Ramón y S. Cajal）已基本描述了內(nèi)嗅皮層→海馬體連接并存兩條經(jīng)典通路，即長程通路：內(nèi)嗅皮層第 2 層 →海馬齒狀回 (DG)→CA3→CA1 區(qū)；短程或直接通路：內(nèi)嗅皮層第 3 層→CA1 區(qū)（圖 1）。但是，至今對內(nèi)嗅皮層→海馬神經(jīng)元之間怎樣形成特異連接通路來傳遞不同信息、又如何參與海馬學(xué)習(xí)等基本問題的了解仍不清楚。

在《自然 - 神經(jīng)科學(xué)》發(fā)表的工作中，博士研究生李一丁及其他合作者首先利用光遺傳學(xué)技術(shù)和自主研發(fā)的激光快速刺激系統(tǒng)詳細地解析了內(nèi)嗅皮層 - 海馬體直接通路的突觸連接規(guī)則。他們發(fā)現(xiàn)，外側(cè)內(nèi)嗅皮層（編碼嗅覺等非空間信息）興奮性投射選擇性地與海馬體 CA1 區(qū)一類表達 calbindin、形態(tài)復(fù)雜的錐體細胞直接突觸；但內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層（編碼空間信息）興奮性投射則支配 CA1 區(qū)所有錐體細胞。內(nèi)、外側(cè)內(nèi)嗅皮層的興奮性投射同時支配大部分 CA1 區(qū)抑制性中間神經(jīng)元，但它們的抑制性投射都只與 CA1 區(qū)小部分錐體細胞和中間神經(jīng)元。這些翔實的直接通路連接規(guī)則的解析結(jié)果提示，內(nèi)嗅皮層直接通路將空間和非空間神經(jīng)信息差異性傳遞入海馬 CA1 區(qū)神經(jīng)元，其中 CA1 復(fù)雜錐體細胞同時接受兩類信息。

圖 2：解析得到內(nèi)嗅皮層→CA1 直接通路的投射規(guī)則

研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)，采用光遺傳學(xué)方法（Arch 或 NpHR）抑制外側(cè)內(nèi)嗅皮層→CA1 復(fù)雜錐體細胞的興奮性突觸傳遞、或 CA1 復(fù)雜錐體細胞的放電活動皆可顯著地延緩小鼠嗅覺關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)。但光遺傳方法抑制內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層→CA1 錐體細胞直接通路、或內(nèi)、外側(cè)內(nèi)嗅皮層→海馬齒狀回長程通路卻不影響動物學(xué)習(xí)行為（圖 3a-c）。利用在體光電極（op-tetrode）記錄海馬體 CA1 區(qū)神經(jīng)元的嗅覺相關(guān)放電活動發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜錐體細胞放電在學(xué)習(xí)中更顯著地建立對氣味線索的不同偏好性。這些實驗發(fā)現(xiàn)從細胞、突觸連接、學(xué)習(xí)行為和神經(jīng)放電層次上系統(tǒng)地揭示了在經(jīng)典的內(nèi)嗅皮層 →海馬直接通路中存在一個特異神經(jīng)通路參與大腦關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)，并且海馬體 CA1 區(qū)存在一類復(fù)雜錐體細胞負責(zé)加工和關(guān)聯(lián)不同的輸入信息。這些重要發(fā)現(xiàn)為剖析海馬環(huán)路和學(xué)習(xí)記憶機制了奠定了重要基礎(chǔ)。如所示照片所詮釋，海馬體的關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)如特定角度的光照一般，將分散無關(guān)聯(lián)的積木塊的陰影組構(gòu)成一個完整海馬圖案（圖 3）。

圖 3：光遺傳學(xué)抑制內(nèi)嗅皮層→CA1 復(fù)雜細胞直接通路延緩小鼠嗅覺關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)、以及光影構(gòu)建海馬圖案。

這項研究主要由章曉輝教授課題組的博士生李一丁完成，華東師范大學(xué)林龍年教授和博士生徐佳敏、華中科技大學(xué)曾紹群教授和劉亞豐博士、中科院神經(jīng)科學(xué)研究所李澄宇研究員課題組、中科院武漢病毒研究所羅敏華研究員課題組、以及北京大學(xué)滕俊琳和陳建國教授課題組參與了合作研究。此研究獲科技部 973 項目（2011CBA00403）資助。