发呆时大脑在数秒，为什么走路才能记住路线？Stefan Leutgeb团队揭示时间细胞序列不依赖脑状态机制

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工作记忆（WM）依赖于大脑在几秒延迟期内的信息保持，其神经机制通常表现为两类活动：一类是前额叶等脑区常见的持续放电，另一类是海马体等区域的顺序放电，神经元像接力一样按时间顺序激活。工作记忆对于执行认知任务至关重要，在WM保持期间已观察到海马神经元在数秒内按顺序激活，形成所谓的“时间细胞”。这类时间细胞主要出现在神经活动以θ频率振荡时。

基于此，2025年8月12日，美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校神经生物学系Stefan Leutgeb研究团队在Nature communications杂志发表了“Time cell sequences during delay intervals are not dependent on brain state and do not support hippocampus-dependent working memory”揭示了延迟间隔期间的时间细胞序列不依赖于脑状态，且不支持海马依赖性的工作记忆。

为了检验工作记忆维持期间的时间细胞是否依赖于持续的θ振荡，作者通过让大鼠在10秒和30秒的延迟间隔中奔跑或静止控制θ振荡的持续存在，从而创建了有或无持续θ振荡的实验条件。结果发现，在两种条件下，时间细胞活动仅局限于延迟期的最初几秒；而在延迟期的其余时间，则出现第二类持续活跃的神经元。这两类神经元的活动均与记忆内容无关。作者的研究结果表明，海马中的顺序性活动模式持续时间短暂，无法为工作记忆提供有效信息；当工作记忆需要维持超过约5秒时，必须依赖除海马时间细胞之外的其他机制。

图一 在延迟期间静止或在跑步机上奔跑决定了θ振荡的幅度和持续性

为了探究工作记忆任务中延迟间隔期的神经编码在多大程度上由持续的θ振荡决定，作者设计了一个延迟交替任务。

在该任务中，大鼠在延迟期间要么被强制在跑步机上持续奔跑（跑步机开启），要么被允许休息（跑步机关闭）。当大鼠持续奔跑时其头部位置保持相对固定，且奔跑速度与跑步机设定速度一致。延迟时间分别为10秒或30秒，从而形成四种延迟时长与跑步机状态的组合。这四种组合在八个包含10次试验的区块中各重复两次。尽管不同条件下θ振荡模式和延迟时长存在显著差异，大鼠在各种条件下的任务表现准确率均保持在较高且相近的水平。由于运动与海马θ振荡的出现密切相关，预期在跑步机上奔跑会调控延迟期间θ振荡的强度和持续性。在所有五只大鼠中，当跑步机开启并在10秒和30秒延迟期内持续奔跑时均观察到了高振幅的θ振荡。与跑步机关闭时的静止状态相比，跑步机开启时θ波的功率更高，θ振荡的持续时间更长。此外，当跑步机开启时，延迟期间出现持续θ振荡的时间段也更长。

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图二 在延迟期间静止或在跑步机上奔跑未改变延迟活跃神经元的比例及其活动分布

既然持续奔跑与非持续奔跑条件下的延迟间隔中θ振荡的持续时间存在显著差异，那么作者进一步探究海马神经元在延迟期间的活动模式是否依赖于持续的θ振荡。

在大鼠执行延迟交替任务时记录了377个CA1区的拟态锥体神经元。每次记录均包含所有跑步机状态与延迟时长的组合且仅分析那些在整个记录期间信号稳定的神经元。在每种跑步机与延迟条件组合下，拟态锥体神经元在除延迟区以外的迷宫区域中活跃的比例大约是在延迟区活跃比例的1.5倍。相比之下，迷宫其余区域的面积约为延迟区的4倍。因此，延迟区活跃神经元的比例高于仅根据其空间大小所预测的水平，这一现象与之前在跑轮实验中观察到的模式相似。

无论动物在延迟区停留的时间比例如何，延迟活跃神经元的比例始终保持大致相同。因此，延迟活跃神经元的比例既不受延迟时长的影响，也不受θ振荡出现频率（即跑步机开启或关闭）的影响。

作者进一步探究了这些延迟活跃神经元是否在延迟区之外表现出空间选择性放电，发现许多在延迟期活跃的神经元在迷宫其他区域也拥有明确的位置野。在延迟期内，这些延迟活跃神经元的放电峰值时间分布在整个延迟时段内。

图三 在延迟期间可以区分出两种放电模式

为了更好地理解为何延迟时间延长并未在更长的延迟间隔中招募更多的海马神经元，作者对10秒和30秒延迟试验中的神经元活动模式进行了进一步的比较。

研究发现，海马中的时间细胞在延迟等待期间并非单一模式工作，而是表现出两种不同的放电方式。一类是“时间受限细胞”，只在特定短暂时间段内活跃，类似于精确计时的“秒表”；另一类是“持续活跃细胞”，从激活后一直放电到延迟结束，像持续亮起的“指示灯”。在短等待（10秒）和长等待（30秒）初期，两者的活动模式相似，但进入中后期后许多细胞不再按顺序“熄火”，而是持续放电。这表明大脑并非仅靠顺序激活的细胞来计时，而是结合精准计时与持续维持两种机制，帮助动物在不同长度的任务中保持时间记忆和行为准备。

图四 在延迟期间，无论是单个神经元还是神经元群体均未表现出对运动轨迹的编码

已有研究报道，当大鼠在迷宫主干道或主干道旁的跑轮上奔跑时，海马神经元能够编码过去或未来的行进轨迹。然而，当大鼠未被强制奔跑时，延迟区内的轨迹依赖性编码则较弱或难以检测。

实验发现，在等待阶段，无论是单个海马神经元还是多个神经元组成的群体，都无法区分小鼠接下来是要左转还是右转，也就是说，大脑在这段静止等待的时间里，并没有“预演”或“记住”待会要走的路线。有意思的是，一旦小鼠开始奔跑，神经元群体能清晰地编码即将选择的路线，尤其是在之前经历了10秒或30秒静止等待的情况下，这种“路线预判”反而更明显。

这说明海马对“走哪条路”的编码依赖于运动状态。静止时，大脑可能专注于维持任务记忆或时间信息；而一旦开始移动特别是在即将决策时，神经元群体就会迅速激活帮助动物做出正确选择。这也解释了为什么只有在奔跑状态下，伴随着θ脑波，轨迹编码才会出现，运动像是打开了导航模式的开关。

总结

作者的研究结果证实，延迟间隔最初几秒内的顺序性活动模式是海马群体神经活动的一种普遍特征。然而，这种顺序性活动模式并不会因持续的θ振荡而延长；无论延迟期间θ振荡的程度如何，它都会被海马部分神经元在剩余延迟时段内表现出的持续性活动所取代。但无论是否存在θ振荡或尖波涟漪，顺序性活跃和持续性活跃神经元的比例均表现出高度相似性，且在任何延迟条件下均未发现一致的与记忆相关的活动模式证据。因此，本研究提示，海马神经元的顺序性放电模式持续时间短暂，并非维持工作记忆的普遍机制。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-62498-z