Science | 新證據！丘腦是編碼記憶的關鍵腦區

2020-11-15 腦科學圈

速讀

大腦皮層收集感覺信息進行編碼。為了感知環境並與其互動，我們必須在大腦中結合已存儲的經驗和個人當前目標來解碼這些感覺信號。來自德國的科學家團隊確定了丘腦是編碼過去經驗的關鍵腦區。


丘腦在大腦中的解剖位置，紅色區域


導讀

感覺皮層是記憶的重要基礎，儘管其與丘腦有很強的聯繫，但丘腦在記憶中的直接作用還不清楚。本文研究人員藉助在體雙光子鈣成像、光遺傳學、病毒示蹤技術、全細胞膜片鉗記錄和計算模型等手段，發現丘腦部分高級區域（High-order Thalamus）是聯合學習所必須的，不僅傳輸與習得行為密切相關的大腦信號，還受制於局部突觸前抑制。

丘腦的全腦連接

丘腦皮質聯繫是聯合學習的關鍵神經環路

我們的大腦對外界的精準感知需整合外部感覺信號與內部神經衝動，並與先前獲取的刺激信息密切相關。儘管數十年來的工作已經證實感覺皮層如何處理物理刺激信息，但大腦對自上而下的記憶編碼了解甚少。大腦皮層第一層L1是自上而下信息輸入的重要區域，如丘腦部分高階腦區，因此很可能是信息整合的關鍵節點。

為了探究丘腦皮質（Thalamocortical）連接在記憶中的作用，德國弗萊堡大學醫學院和德國馬克斯·普朗克研究所腦科學研究所的雙聘教授Johannes J. Letzkus研究團隊以聽覺皮層為研究對象，發現較高階的內側膝狀體（High-order medial geniculate, HO-MG）在自上而下的聯合學習中起關鍵作用。該研究成果與2020年11月13日在線發表在頂級期刊《Science》雜誌上。

來源於Science雜誌


聽覺皮層L1主要接受內側膝狀體自上而下的輸入

研究人員通過光遺傳學、病毒示蹤技術等技術特異性標記聽覺皮層L1的輸入來源，證實HO-MG是聽覺皮層L1主要的自上而下的投射來源。自上而下的輸入主要傳遞來自高級皮層區域的反饋信息，因此作者使用雙位點注射Cre依賴性逆行狂犬病毒進行定位追蹤發現專門針對於聽覺皮層投射HO-ME神經元的全腦輸入信息，包括大腦皮層、上丘的中層和深層區域、下丘等。因此，HO-MG是將整合的信息傳遞到聽覺皮層L1的關鍵區域。

HO-MG將經驗依賴性的信號投射到聽覺皮層L1

為了直接驗證HO-MG的投射輸入是否將與記憶有關的信息傳遞到聽覺皮層，研究人員訓練小鼠進行'判斷威脅條件'行為訓練來建立聽覺刺激與經驗的關聯。結果表明，HO-MG將聲音的行為相關信息傳遞給聽覺皮層L1，並取決於先前的經驗。該結果突出了HO-MG在記憶形成和傳輸中的核心作用。


HO-MG是聽覺聯合學習的關鍵腦區

相較於HO-MG自上而下的信息輸入，作者接下來想驗證是否HO-MG的信息輸入也編碼了自下而上的抑制作用。通過不同強度的噪音刺激訓練小鼠進行類似的'威脅判斷'行為，結果表明小鼠行為表現隨著刺激強度的增加而降低，意味著在訓練過程中自上而下的控制逐漸減少，進一步證實HO-MG是相關聽覺記憶的關鍵腦區。

研究意義

該研究提供了高級丘腦在自上而下的經驗依賴性記憶中起關鍵作用的直接證據。本文通訊作者Letzkus教授接受採訪時，表示："這種自上而下的信號在自閉症或精神分裂症等許多腦部疾病中都受到幹擾。我們的希望是，目前的結果能讓人們深刻地理解這些機制為未來的應用提供理論指導''。


參考資料：

M. Belén Pardi, et al, A thalamocortical top-down circuit for associative memory, Science, 2020. 370 (6518): p. 844-848. DOI: 10.1126/science.abc2399

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/844

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