脑机启侦 | 解码大脑如何同时存储地点与事件的记忆（01.19）

近50年前，神经科学家发现了大脑海马体内存储特定位置记忆的细胞。这些“位置细胞”不仅对空间记忆至关重要，还在存储情景记忆（即事件记忆）中扮演重要角色。虽然位置细胞如何编码空间记忆的机制已经得到了充分描述，但它们如何编码情景记忆仍然是一个谜。

麻省理工学院（MIT）的研究人员开发了一个新模型，解释了位置细胞如何被招募来形成情景记忆，即使没有空间成分。根据这个模型，位置细胞与内嗅皮层中的网格细胞一起作为支架，可以用来锚定一系列相关的记忆。

“这个模型是内嗅-海马情景记忆回路的第一个草图模型。它是理解情景记忆本质的基础，这是我真正感到兴奋的地方。”MIT脑与认知科学教授、McGovern脑研究所成员Ila Fiete说道。

研究介绍

为了编码空间记忆，海马体中的位置细胞与网格细胞——一种在不同位置发射且排列成规则三角形模式的特殊神经元——紧密合作。这些网格细胞群体形成一个三角形晶格，代表物理空间。

除了帮助我们回忆去过的地方外，这些海马体-内嗅皮层回路还帮助我们在新环境中导航。从人类患者的数据来看，这些回路对于形成情景记忆也至关重要，尽管情景记忆可能包含空间成分，但主要由事件组成，例如你上次生日是如何庆祝的或昨天午餐吃了什么。

“同样的海马体和内嗅皮层回路不仅用于空间记忆，还用于一般的情景记忆。”Fiete说，“你可以问的问题是，空间记忆和情景记忆之间的联系是什么，使得它们存在于同一个回路中？”

关于这种功能重叠有两种假设：一种认为该回路专门存储空间记忆，因为这类记忆（如记住食物的位置或捕食者出现的地方）对生存至关重要；另一种则认为该回路专门存储情景记忆，但也编码空间记忆，因为位置是许多情景记忆的一个方面。

在这项工作中，Fiete及其同事提出了第三种可能性：网格细胞的独特铺砖结构及其与海马体的相互作用对于两种类型的记忆——情景记忆和空间记忆——同样重要。为了开发新的模型，他们基于过去十年实验室开发的计算模型，模拟了网格细胞如何编码空间信息。

“我们达到了某种程度上理解网格细胞回路机制的地步，所以感觉是时候尝试理解网格细胞与包括海马体在内的更大回路之间的相互作用了。”Fiete说。

研究方法

在新模型中，研究人员假设网格细胞与海马体细胞的相互作用可以作为存储空间或情景记忆的支架。每个网格内的激活模式定义了一个“井”，这些井以规则间隔分布。这些井不直接存储具体记忆的内容，而是作为指向特定记忆的指针，这些记忆存储在海马体与感觉皮层之间的突触中。

当记忆稍后被触发时，网格细胞和海马体细胞的相互作用将电路状态驱动到最近的“井”中，而“井”底部的状态连接到感觉皮层的适当部分，以填充记忆的细节。感觉皮层比海马体大得多，能够存储大量的记忆。

“概念上，我们可以把海马体看作一个指针网络。它就像一个索引，可以从部分输入中完成模式匹配，并指向感觉皮层，在那里这些输入最初被体验。”Fiete说。

此外，按顺序发生的事件可以链接在一起：每个网格细胞-海马体网络中的井有效地存储了激活下一个井所需的信息，从而使记忆能够按照正确的顺序被召回。

研究人员的新模型比基于Hopfield网络的现有模型更准确地再现了几种与记忆相关的现象。Hopfield网络是一种可以存储和回忆模式的神经网络，但它不能完美地模拟生物记忆的工作方式。在Hopfield模型中，每个记忆都会被详细回忆，直到容量达到极限，此时无法再形成新记忆，甚至会擦除之前的所有记忆。

相比之下，MIT的新模型捕捉了几十年来在啮齿动物探索和觅食过程中记录的网格细胞和海马体细胞的行为。它还帮助解释了一种称为“记忆宫殿”的记忆策略背后的机制。

在记忆竞赛中，一项任务是记住一副或多副纸牌的随机序列。通常，参赛者会将每张牌分配到记忆宫殿中的特定位置，比如他们熟悉的童年家园或其他环境。当需要回忆纸牌时，他们会沿着想象中的路径穿过房屋，依次回忆每张牌所在的位置。令人惊讶的是，增加将卡片与位置关联的记忆负担反而使回忆更加牢固可靠。

MIT团队的计算模型能够很好地执行此类任务，表明记忆宫殿利用了记忆回路自身的策略，将输入与海马体中的支架关联起来，但在更高层次上：在更大的感觉皮层中重建的长期记忆现在可以用作新记忆的支架。这使得在序列中存储和回忆更多的项目成为可能。

研究未来

研究人员计划在此基础上进一步探索情景记忆如何转化为皮层的“语义”记忆（即脱离具体情境的事实记忆），以及如何定义事件，并探讨如何将类似大脑的记忆模型集成到现代机器学习中。

新闻来源：Nature

参考文献：DOI: 10.1038/s41586-024-08392-y