记忆如何转场？|内嗅|方向|海马汽车|皮层|细胞

文献：Julian, J.B., Doeller, C.F. Remapping and realignment in the human hippocampal formation predict context-dependent spatial behavior. Nat Neurosci (2021).

DOI：https://doi.org/10.1038/s41593-021-00835-3

作者：Orange Soda | 封面：Jean Long

假设你家大门的备用钥匙有两把，一把放在办公室柜子右边的第二层抽屉，第二把则放在床头柜旁边的梳妆台上。那如果现在场景中摆着你的办公室柜子，旁边还摆着你的梳妆台，那么你会去哪里找你的备用钥匙？面对模糊的环境线索，记忆如何转场？

要记忆物体在不同环境下的空间位置，大脑必须正确地提取出不同环境下的空间编码。前人的实验证据表明内嗅皮层（entorhinal cortex，EC）与环境相关的行为（context-dependent behavior）相关；另一方面，普遍的观点认为环境相关的记忆还与海马（hippocampus）的功能相关。Julian和Doeller设计了一个非常有趣的实验来研究海马和内嗅皮层对环境相关记忆的编码：实验借助虚拟现实（VR）设备，被试需要练习在VR中进行场景漫游，按照指示到达指定的位置。

Fig. 1 | 环境相关的空间记忆任务。

Julian & Doeller, Nature Neuroscience

在训练阶段，被试需要漫游到当前场景中的某个指定物体的位置（回想阶段，recall phase；Fig.1a）并按键确认，然后被试的位置会被随机地传送到当前场景的某个位置，接着会显示出正确答案（反馈阶段，feedback phase）。通过反馈，被试需要学习到对应特定场景中的各个物体正确的位置。实验一共包括两个不同场景，一个具有方形边界（Square），另一个具有圆形边界（Circle）；在两个场景中都包括有四个不同物体，它们在两个场景中的摆放位置不同（Fig.1b）。两个场景除了边界形状的差异之外，还有一些远处的线索帮助被试进行判断。

完成训练后，研究者在被试正式做任务的同时采集fMRI信号，并且实验不再提供反馈（也就是仅仅进行回想阶段）。在实验的开始，被试的视角会自动转动360°（12s），这一过程可以让被试观察周围的环境，在回想阶段开始之前判定当前的场景。然而，这时候Julian和Doeller有点不讲武德地增加了一种新的实验条件：在实验中除了方形和圆形场景各占40%以外，还包括20%的试次呈现半方形-半圆形（Squircle）的场景（Fig.1c），而这种场景被试在训练阶段从来接触过。这种混合场景是前面两种场景的结合，并且同时存在前面两种场景中的远端线索。在这种情况下，被试需要任意回想两种场景中的某一种里的物体位置。

Fig. 2 | 模糊条件下的空间记忆提取。

Julian & Doeller, Nature Neuroscience

实验结束后，所有的被试都报告他们发现了奇怪的实验条件。而由于第三种混合场景的出现，在这种条件下被试的反应时较方形和圆形场景下都有显著变长（Fig.2a），并且延长的反应时里，被试主要的活动是原地不动（被试在不同场景中的路径长度没有显著差异，Fig.2b）。在混合场景中，被试回想起来的物体位置通常是两种常规场景中的某一种，而很少是其它无关的位置（Fig.2c）。

Fig. 3 | 海马在不同环境下的不同反应预测记忆指导的行为。

Julian & Doeller, Nature Neuroscience

首先，研究者尝试训练分类器从海马神经元活动中解码出在常规场景下被试回想的场景是方形还是圆形，发现海马的神经活动在两种场景的反应有显著的差异，对单个试次的场景解码准确率显著高于随机（55.6%；Fig.3a）。对fMRI数据的每个体素计算在同一场景下的反应相似度，发现海马神经反应在同样的场景下反应的相似性更高（Fig.3b）。以上的证据都说明在海马存在有较为鲁棒的对环境相关信息的表征。接着，研究者试图从海马的神经活动中解码出在混合场景中被试所回想的是哪种场景，发现解码的准确率显著高于随机（58.8%）。

Fig. 4 | 内嗅皮层在不同环境下的网格重置。

Julian & Doeller, Nature Neuroscience

Julian和Doeller想知道内嗅皮层是否也参与环境相关空间记忆的表征。他们进而将数据对半分析：一半的数据用来推断内嗅皮层网格细胞在不同场景中的方向（依据已有的实验证据，在不同场景中内嗅皮层网格细胞可能会重置网格方向，转动方向不超过网格的固有周期60°；Fig.4a），另一半用于检验结果。结果在内嗅皮层的fMRI数据中观察到了特定环境下的类似网格的调制作用（Fig.4b）。

结果发现，如果将某种场景的数据放在计算出的相应的网格方向中时，能够得到显著的类似网格细胞的信号调制现象，反之如果将数据放在不符合的网格方向中（即将方形场景的数据放在圆形场景的网络方向中）计算则没有出现同样的调制现象（Fig.4c），并且同样场景下体素间反应相似性更高（Fig.4d）。同样地，利用内嗅皮层神经信号对混合场景条件数据进行解码时的网格方向同样是依赖于特定场景的（Fig.5a,b）。以上的结果也就说明内嗅皮层表征不同环境中的空间位置时，网格方向发生了重置。