《Cell》：超大尺度空间中的海马重放：蝙蝠如何重现长路径记忆？

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海马体在空间导航与记忆功能中的核心作用早已被广泛确立，特别是在编码动物所经历轨迹的“位置细胞”（place cells）活动中展现得尤为突出{ ADDIN EN.CITE { ADDIN EN.CITE.DATA |}|1,2}。在离线状态（off-line），如睡眠或清醒静息期，海马体神经元会以序列化的方式重新激活先前的神经放电模式，这一现象被称为重放（replay）。Replay 事件通常发生于尖波涟漪sharp-wave ripple（SWR）期间，以高度压缩的时间尺度回顾行为序列，被认为是记忆巩固的关键神经基础，并与行为规划和预测功能密切相关。行为学和因果实验也表明，干扰 replay 会导致记忆障碍，进一步支持其在长期记忆形成中的重要作用。

然而，几乎所有关于 replay 的研究都集中在啮齿类动物，且实验环境通常限于 1–2 米的有限空间。在这些小尺度场景中，replay 多表现为覆盖整个轨迹的“完整重放”，并以5至15倍行为速度的压缩率快速呈现。尽管这些研究揭示了 replay 的基本特性，但它们也存在显著的局限性：实验动物行为受限于简化环境，无法模拟真实世界中大尺度、自然化的导航行为。由此，一个关键问题仍未解答——在自然尺度的广阔空间中，大脑如何重放长距离、连续的行为经验？Replay 的机制和功能是否随空间尺度发生改变？

为解决这一长期未解的科学问题，近日，以色列魏茨曼研究所Nachum Ulanovsky团队于Cell发表文章Fragmented replay of very large environments in the hippocampus of bats，记录了自由飞行蝙蝠在长达200米隧道中的海马神经活动，首次在高度自然化、超大空间导航背景下系统研究 replay 的组织形式。这一研究不仅填补了 replay 研究在空间维度上的空白，也为理解大脑在真实世界中的记忆处理机制提供了全新视角。

图1 在超大尺度环境中记录到埃及果蝠海马replay 序列示例

研究首先确立了核心实验平台：在一条长达200米（或130米）的隧道中，蝙蝠自由往返飞行，海马CA1区的神经群体活动被高精度无线记录。研究者利用无聚类的贝叶斯状态空间解码器，对飞行期间神经活动进行位置解码，解码精度极高。随后，作者将同样的解码器应用于睡眠和清醒静息期间的神经放电，以寻找 replay 事件。他们发现，无论在睡眠还是觉醒静息状态，蝙蝠海马中都存在大量 replay 序列。这些 replay 通常出现在 sharp-wave ripple（SWR）事件期间，并伴随全体神经元放电率的升高，符合以往关于 replay 的经典定义。然而，与小环境中 replay 通常覆盖完整路径不同，蝙蝠的 replay 序列仅覆盖路径中的一小段——约6%的隧道长度，从而引出了本研究最核心的现象：在大尺度空间中，replay 呈现出强烈的“碎片化”特征。

图2 在replay中，细胞的放电仍能反应细胞多位置野的空间调制

为了验证这些碎片化 replay 是否仍具有高保真的空间信息，作者进一步分析了单个神经元在 replay 中的发放模式。他们发现，即便是在 replay 阶段，神经元的放电仍高度吻合其在飞行期建立的多个 place field。在 replay 中，一个神经元可以多次发放，分别对应其多个位置场，精确地重现空间调制结构。进一步，作者构建了“replay 调制曲线”并与行为期间的“飞行调制曲线”进行比较，发现两者具有高度相关性（远超shuffle）。这说明：虽然 replay 是碎片化的，但其内部的放电模式仍保留了细致而精确的空间编码结构，支持 replay 在大环境中依然承载着有效的空间记忆功能。

图3 片段式replay在大环境中只编码部分小片段

接着，作者系统性量化了 replay 的三个核心参数：持续时间、速度压缩比（compression ratio）、以及空间跨度。他们提出三种假设：（1）如果 replay 尝试复现整个200米的轨迹，则必须具有超快速度（上千米每秒）；（2）如果速度与小环境相似，则 replay 持续时间必须超长（数秒以上）；（3）如果持续时间与速度均受限，则 replay 距离必然大幅缩短。实验证实第3种情况：replay 的持续时间中位数约为210ms，与小环境中相似；压缩比中位数为6.4倍，亦与以往一致；但 replay 的距离仅为8.1米，占隧道长度的6.2%。此外，replay 空间分布并不均匀，而是集中在着陆区、起飞区和个别中心位置，这些正是行为上最关键或最具认知显著性的区域。Replay 在一次 session 内的空间分布在睡眠与觉醒状态之间保持稳定，但不同天之间有较大变动，提示其可能反映了日常行为关注点的动态变化。Replay 之间在时间和空间上不呈连续或可预测结构，说明 replay 并非是被人为“切割”的，而是原始产生的片段化表达。这进一步强调：大尺度 replay 不仅在空间上受限，也在 replay 机制上显示出结构性的“内容选择”倾向。

图4 在小尺度环境中 replay 恢复连续性，印证碎片化是大尺度特有现象

为了排除 replay 碎片化是否源于物种特性、飞行速度、或行为碎片性等干扰因素，作者在同一个蝙蝠个体中设计了对照实验：让其在15米短隧道中飞行，并记录其神经活动。结果表明，短隧道中的 replay 仍具备高解码精度和 replay 指标，但 replay 的空间跨度显著增加，中位 replay 距离占环境长度的21%，远高于长隧道的6.2%。这表明，在短环境中 replay 更接近传统意义上的“完整轨迹 replay”。因此，碎片化 replay 并非由蝙蝠行为断裂、飞行速度快或技术限制导致，而是由海马系统在大尺度空间中重放信息时的“结构性限制”。换句话说：replay 的时长和压缩比可能受到生理网络机制的约束，而当空间维度远超 replay 能力时，大脑倾向于选择性 replay 关键片段。

图5 replay包含了行为相关的信息

在确立了 replay 的片段化特征之后，作者进一步探究 replay 内容是否具有行为选择性。图3发现，replay 在空间上显著偏向某些高行为价值的位置，如隧道门、起飞点和着陆点。为了进一步说明replay偏向编码特征的行为，作者设计“交汇实验”：两只蝙蝠在中段隧道交汇飞行，实验记录显示：一只蝙蝠在静息期间 replay 的位置，与其先前交汇点高度相关，而与下一个交汇点位置无相关性（因为蝙蝠在平台停留并发生replay时，下一次交汇还未发生）。此外，一些 session 中 replay 明显偏向门口方向，而不是对称分布。这些结果表明，碎片化 replay 在“内容选择”上体现出强烈的行为/认知相关性：偏向过去的关键事件或具有生物学意义的位置。Replay 并不是随机片段的无序播放，而可能是一种神经机制，通过选择性 replay “事件边界”或“情境节点”来进行记忆巩固与信息传输。

总结

本研究探讨了蝙蝠在超大空间环境（200米隧道）中的海马体重放（replay）机制。通过在飞行及休息状态下记录蝙蝠海马CA1神经元的活动，研究发现，尽管环境尺度远大于以往研究中的小型实验环境，海马体依然存在 replay 现象。然而，这些 replay 并非像小环境中那样覆盖整个轨迹，而是表现为高度碎片化，每次 replay 仅覆盖约6%的环境。进一步分析表明，这些碎片化的 replay 在空间上呈现出选择性，主要集中在行为关键区域，如着陆和起飞点。实验还发现，虽然 replay 的时长与压缩比类似于小环境中的情况，但其轨迹跨度显著缩短，指示了海马系统在大尺度环境中对空间信息处理的生理和网络约束。这些结果挑战了传统的 replay 模式，表明在超大环境中，海马通过片段化的重放机制来优化记忆巩固与行为规划的过程。

值得注意的是，今年还有一篇Nature和一篇Science的文章利用埃及果蝠进行replay的研究{ ADDIN EN.CITE { ADDIN EN.CITE.DATA |}|3,4}。其各有侧重，例如Science文章利用连续吸引子模型分析神经元的放电序列，Nature文章着重说明了replay具有行为动态，例如对replay与蝙蝠翅膀拍动周期锁定。上述工作也体现了埃及果蝠在空间导航研究的领域的独特性，例如在研究3D空间导航，社交导航和大尺度导航行为的优越性。

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引用

1、O'Keefe, J. & Dostrovsky, J. The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research34, 171-175, doi:https://doi.org/10.1016/0006-8993(71)90358-1 (1971).

2、Moser, E. I., Moser, M.-B. & McNaughton, B. L. Spatial representation in the hippocampal formation: a history. Nat Neurosci20, 1448-1464, doi:10.1038/nn.4653 (2017).
3、Forli, A., Fan, W., Qi, K. K. & Yartsev, M. M. Replay and representation dynamics in the hippocampus of freely flying bats. Nature, doi:10.1038/s41586-025-09341-z (2025).

4、Mallory, C. S., Widloski, J. & Foster, D. J. The time course and organization of hippocampal replay. Science387, 541-548, doi:10.1126/science.ads4760 (2025).