導讀020期|探秘學習記憶:動態環境學習中的功能性腦網絡重構

2020-12-06 腦科學君

1，獎勵預測誤差與陳述性記憶

期刊：Trends in Cognitive Science

作者：Freya

基於獎勵預測誤差（reward prediction error，RPE）的學習最初是在非陳述性記憶的背景下提出的。我們假設RPE也支持陳述性記憶。事實上，近年來已有一些獨立的實證研究報導了RPE對陳述性記憶的影響。

本文提供了對這些研究的簡要概述，確定了新出現的模式，並討論了開放性問題，如有符號與無符號RPE在陳述式學習中的作用。

2，嬰兒睡眠依賴的記憶鞏固保護新的情景記憶不受現有語義記憶的影響

期刊：Nature Communications

作者：Niki

N400的語義記憶效應和FTMR的情景記憶效應

人的陳述性記憶主要有兩種：情景記憶和概念性的語義記憶。目前我們對陳述性記憶形成的最初階段了解的還非常少，尤其是在人的發育早期（嬰兒階段），情景記憶和語義記憶之間存在怎樣的關係尚不明確。

和成人的記憶類似，嬰兒期情景記憶的形成和鞏固也依賴於睡眠。嬰兒的大腦響應表明，儘管其他情況下也有語義記憶存在，但經過睡眠的鞏固後，新存儲的記憶並沒有經過語義上的處理。ERP響應的一個中潛伏期的額顳成分被發現能夠反映嬰兒對特定情景的記憶，這種嬰兒情景記憶的神經標誌物（FTMR）和語義記憶的神經標誌物（頂葉的N400響應）明顯不同。

作者認為在嬰兒期，暫時禁用的語義處理能夠保護精確的情景記憶免受語義記憶的幹擾。而這種選擇性地限制語義的訪問能夠觸發語義的細化，從而甚至能夠改善語義記憶。

3，學習過程中聯合皮層信號流的時空細化

期刊：Nature Communications

作者：Niki

與紋理識別學習相關的時空維度

大腦皮層聯合區編碼新奇刺激和輸出的關係，但是它們在任務學習過程中的參與原則仍不清楚。在動物習得某項任務之前，大腦皮層是如何建立起這種強化的刺激辨別能力的？

該研究通過在小鼠學習使用觸鬚完成紋理分辨任務時，對新皮層進行廣域的鈣成像來考察學習過程中的皮層時空動力學。該研究揭示了學習過程中皮層layer2/3活動時空細化的兩個階段：在初學階段，聯合皮層在試驗早期（聲音起始線索和觸鬚接觸紋理之間）普遍處於抑制狀態；隨著學習的進行和任務熟練度的提高，一個時空激活序列逐漸形成，在紋理接觸之前立即從聽覺區擴散到聯合皮層的前外側區（RL），並繼續進入桶狀皮層（barre cortex），最終有效地辨別紋理。

輔助的相關分析佐證了聯合皮層內與學習相關的分化和細化。該研究的結果表明初學期間聯合皮層的普遍抑制先與學成後任務特異性信息流的增強。

4，動態環境學習過程中的功能性腦網絡重構

期刊：Nature Communications

作者：Niki

研究方法示意圖

a.感興趣區，b.相關分析示意，c.邊強度隨時間變化，d.NMF方法示意圖

動態多變的環境中，充滿了不確定性和意外的變化。置身其中的人們需要在了解到重要的新信息時，比如常去的餐廳僱傭了新廚師，及時地調整對環境的看法。這種適應性地看法更新，以及對意外變化的處理通常被認為和背內側額葉皮層，前腦島，外側前額葉皮層和外側頂葉皮層有關。

作者認為動態環境下，大腦的網絡連接會頻繁地重新配置，尤其是額葉和頂葉之間的連接。通過fMRI 影像技術和基於非負矩陣分解（NMF）的無監督學習方法，該研究分解出了動態環境學習過程中的網絡連接的子網絡，並發現了驅動「更新」的變量（新奇性和不確定性）與特定連接模式的時域動態變化有關；這種功能連接的動態變化也和學習中的個體差異有關，反映了個體對環境變化的敏感性差異。

這些特定連接模式主要體現為額頂網絡與其他功能網絡之間更強的連接和功能整合。這項研究建立了學習中的動態更新和全腦功能連接之間的新的聯繫。

5，小腦可塑性和聯想記憶受神經元周圍基質網控制

期刊：PNAS

作者：Loren

習得EBC期間PNN減少

意義：了解學習和記憶的潛在機制，對於解決在衰老或繼發性神經疾病中發生的認知功能下降至關重要。因為小腦控制的運動學習形式特徵良好，因此它提供了一個理想系統來進行研究。

目前尚不清楚小腦記憶過程是否依賴於神經元周圍基質網絡(PNNs)的變化。本文證明，眼閃爍條件(EBC)作為小腦運動學習的一種形式，受到小鼠小腦深部核內的PNNs的動態調節，PNNs的變化對EBC記憶的形成和存儲是必不可少的。這些結果共同揭示了控制運動聯想記憶的一個重要機制。

摘要：神經元周圍基質網絡(PNNs)是細胞外基質分子的集合，圍繞著多種類型神經元的胞體和樹突，調節神經的可塑性。PNNs在深部小腦核團(DCN)神經元周圍明顯表達，但其在成人小腦可塑性和行為學中的作用尚不清楚。

本文發現，小鼠DCN中的PNNs在EBC過程中減少，EBC是一種依賴於DCN可塑性的聯想運動學習形式。當記憶完全獲得時，PNNs被恢復。酶消化DCN中的PNNs可以促進EBC學習，但完整的PNNs對記憶保持是必需的。

在結構水平上，PNNs的去除在體內誘導了明顯的突觸重排，從而增加了清醒行為小鼠DCN基線活性的抑制。這些結果表明，PNNs是調節小腦迴路和功能的關鍵分子。

校審：Freya（brainnews編輯部）

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1，腦科學頂刊導讀019期｜好一把基因剪刀手，緩解癲癇挽救認知缺陷

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