Neuron | 王成团队等联合揭示海马编码时空信息机制

作为情景记忆的关键脑区，海马体能够编码空间和时间信息，对于情景记忆至关重要。然而，空间和时间表征在海马记忆系统中的相互作用机制仍然不明确。

2024年9月5日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所王成研究员团队和南方科技大学生命科学学院陈小菁助理教授团队，联合在Neuron杂志发表题为“Integration and competition between space and time in the hippocampus”的研究论文，首次报道了：1) 海马神经元在多个一维导航任务中能同时编码空间和时间信息；2）空间编码与时间编码之间存在负相关性。该研究揭示了单个海马神经元对空间-时间编码的竞争-整合机制，为理解以时空信息为背景的情景记忆表征提供了重要的神经基础。

早期研究发现，海马体中存在位置细胞和时间细胞，可以表征生物体在环境中的位置和特定时间段内的某个时刻。当使用不同的时间间隔时，时间细胞可能出现保持不变、重新计时，或按比例重新调整的情况，从而实现对时间体验的灵活表征。位置细胞和时间细胞构成了情景记忆中空间和时间背景信号的可能神经基础。

然而，海马神经元在时空连续体中表征空间和时间的程度以及时空表征如何相互作用仍然是未解之谜。大多数传统研究在不同任务阶段分别考察空间或时间的表征。但是心理物理学研究表明，空间和时间的感知之间存在相互影响（如，距离判断往往随刺激的时间间隔增加而增加；同样，时间判断也随刺激的空间间隔增加而增加），这引发了关于海马表征中是否存在类似交互作用的问题。

王成研究员和陈小菁助理教授长期从事海马相关脑区的空间和时间信息处理的神经机制的研究。团队的前期工作报道了外侧内嗅皮层和内侧内嗅皮层分别基于自我中心和世界中心参考系编码空间信息（Science 2018），压后皮层对多场景多物体空间感知的自我中心编码及微环路整合机制 （Neuron 2024） ，以及外侧内嗅皮层的多尺度时间编码与任务经验的关系 （N ature 2018） 。为了进一步研究空间信息与时间信息编码的相互作用机制，团队设计了多种虚拟现实导航任务及现实世界任务，使用在体单光子显微镜技术，记录和研究了不同运动速度下海马CA1脑区神经元的时空表征。

研究发现，不论是纯粹的空间导航任务 （固定距离长度的运动，没有明确的时间信息线索） 还是纯粹的时间感知任务 （固定时间周期的运动，没有空间视觉输入线索） ，海马CA1的许多神经元存在空间-时间信息的共同表征，即在同一个任务里可以同时表现为位置细胞 （编码跑道中的具体位置） 和时间细胞 （编码从起始位置开始的已逝运动时间） 。此外，时间表征能够捕捉行为任务中时间结构的相似性，可能有助于迁移学习。这些结果提供了位置细胞和时间细胞的统一处理，并与基于海马体时空框架组织情景记忆的理论相一致。

研究还发现，海马的空间编码与时间编码之间存在竞争关系。例如对于某些位置细胞，偏好空间位置与已逝时间呈负相关关系，即在更短的时间周期下位置场会往后发生位移。同样，对于某些时间细胞，偏好时间与行进距离之间也存在负相关关系。这种竞争性的负相关性可以显著增强另一个维度的信息量。这些结果表明，空间和时间编码存在竞争-整合机制，符合不同脑区中认知变量的多重编码，可能作为时空轨迹或背景更好地服务于情景记忆。

南方科技大学生命科学学院博士生陈士杰和中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所助理研究员程宁为论文共同第一作者，王成研究员和陈小菁助理教授为论文共同通讯作者。

https://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273(24)00579-8

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