Sci Adv：为什么你逛超市总能直扑酸奶区？Judit K. Makara团队揭示海马表征任务结构适应机制

为什么你能在超市里直奔酸奶区？

海马在空间与情境记忆中起着基础性作用。CA1区锥体神经元（CA1 PNs）在导航过程中表现出具有空间特异性的活动，但其依赖于情境的调谐特性如何在学习过程中以及情境变化时发生演变，目前尚不完全清楚。

基于此，2025年11月14日，匈牙利科学院实验医学研究所Judit K. Makara研究团队在《Science Advances》杂志发表了“Adaptation of hippocampal spatial and contextual representations to task structure”揭示了海马空间与情境表征对任务结构的适应。

作者在小鼠执行一系列虚拟go/no-go任务时，监测了其背侧CA1 PNs的Ca²⁺活动；这些任务要求动物同时进行空间导航并基于非空间的环境特征进行规则学习。研究发现，CA1 PNs的空间和情境依赖性活动在学习过程中依次形成，并与行为表现同步提升。当切换到包含熟悉与新奇环境的新任务条件时，即使在未改变的环境中，神经元活动也迅速且广泛地出现紊乱。相比之下，在环境不变的情况下仅反转奖赏规则，则引发更为渐进的神经活动变化并与行为适应相关联。

结果表明，在学习空间-情境任务的过程中，CA1 PNs最初会在不同环境间泛化，主要编码空间位置信息；但随着经验积累，其活动逐渐重组，在共享的情境框架内形成部分独立的表征。

图一 小鼠学会在一种情境化的go/no-go任务中区分两条视觉上不同的通道

研究人员训练了经限水处理、头部固定的 Thy1-GCaMP6s 转基因小鼠，在虚拟现实环境中学会区分两条视觉不同的通道。

任务分三个阶段：颜色条件：小鼠在绿色（奖赏）或紫色（非奖赏）条纹通道中奔跑，进入无提示黑色区域后，仅在绿色通道的隐藏奖赏区舔舐才能获得水；紫色通道则需抑制舔舐。错误行为会延长随后灰色屏幕的时间作为惩罚。图案条件：通道颜色统一为紫色，但图案不同：棋盘格为奖赏通道，条纹为非奖赏通道。小鼠通常比第一阶段学得更快。反转学习：交换奖赏与非奖赏通道的设定，观察小鼠如何重新学习。

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行为分析显示：早期时，小鼠无论在哪种通道中，接近奖赏区时都会减速并舔舐，表现接近随机，说明它们记住了奖赏位置，但还没理解“规则”。随着训练，它们逐渐只在奖赏通道中舔舐并减速，在非奖赏通道中则保持高速、抑制舔舐，表现出清晰的通道选择性。

这种行为优化主要体现在非奖赏通道的抑制能力提升，但也包括奖赏通道表现的微调。类似的学习模式在颜色、图案及反转阶段均出现。基于整体表现，研究者从8只小鼠中分别选取了每个任务阶段中一个低表现期（正确率 < 65%）和一个高表现期（熟练后）的神经成像数据用于后续分析。

图二 通过双光子钙成像记录CA1锥体神经元的任务相关活动

为了在任务相关行为反应形成过程中监测海马CA1锥体神经元大群细胞的活动，作者通过植入的海马成像窗口进行双光子成像，并在每只小鼠中同时记录多达约1500个细胞的GCaMP6s报告的钙信号。

计算了多个指标：包括空间可靠性、空间调谐特异性和空间信息含量以评估神经元在两条通道中的空间调谐特性，并通过重采样方法确定每个神经元在两条通道间的活动差异（即通道选择性）。

基于该分析，作者识别出两类神经元：具有空间调谐特性的细胞和具有通道选择性的细胞，并进一步探究了神经元对位置和通道的编码如何在学习过程中与行为适应同步演变。

图三 情境学习过程中单个CA1锥体神经元的适应性变化

在部分实验中，小鼠的行为表现从“不会”到“熟练”的提升过程，发生在单次或同一天的连续成像记录内，这让研究人员能追踪同一个神经元在学习前后的活动变化。

他们发现：随着学习推进，同时具备空间位置调谐和通道选择性（即能区分奖赏/非奖赏通道）的海马CA1神经元比例显著增加；奖赏通道与非奖赏通道的神经活动模式逐渐分化，但同一通道内在学习前后的神经活动相对稳定，说明神经元并非彻底“重写”编码，而是微调已有反应。

进一步分析显示，这些新出现的“双重选择性”神经元主要来自三类原有细胞：约22%原本就是双重选择性，保持不变；约32%原本无选择性，只是活跃；约40%原本只编码空间位置（有空间调谐但不分通道）：这是最大来源且远高于随机预期，说明空间信息是通道选择性发展的基础。

此外，当神经元获得通道选择性后，通常在“自己偏好的通道”中活动增强，在另一通道中被抑制；而那些从“仅空间调谐”转变来的细胞，其活动增强常出现在原来活跃位置的前方区域，暗示学习过程中表征向前“预测性”扩展。海马神经元在学习中并非重绘地图，而是在原有空间编码上叠加行为规则，实现“在哪该做什么”的灵活表征。

总结

本研究揭示，海马CA1神经元在学习过程中并非重构空间地图，而是在原有位置编码基础上，逐步叠加任务规则信息，形成“在何处该做什么”的精细行为相关表征。这一机制高效支持了认知灵活性，不仅深化了我们对海马功能的理解，也为神经退行性疾病中决策与适应障碍的机制研究提供了新视角。

文章来源

10.1126/sciadv.adu4899

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