协调的大脑激活支持空间学习和决策

根据美国国立卫生研究院(National Institutes of health)在该杂志上发表的一项研究，专门的大脑激活会“回放”老鼠在空间中行走时可能走的路线，帮助它们追踪已经走过的路线，并在接下来可以走的路线中进行选择神经元．

“这些发现揭示了大脑内部的‘回放’过程，使动物能够从中学习过去的经验形成通往目标的路径的记忆，并随后回忆这些路径来规划未来的决定，”马萨诸塞州沃尔瑟姆布兰代斯大学的助理教授、该研究的资深作者山塔努·贾达夫博士说。“这些结果帮助我们更好地理解神经元层面的协调激活如何有助于学习和决策所涉及的复杂过程。”

海马体是位于大脑中部的一个结构，对学习和记忆至关重要，它包含专门的“位置”细胞，这些细胞在空间中传递有关位置和方向的信息。这些定位细胞在导航过程中显示出特定的活动模式，这些模式可以稍后以前进或后退的顺序“重放”，几乎就像大脑在快速前进或倒带老鼠采取了。

在之前的研究中，Jadhav和他的同事们发现，这些重放事件，以被称为锐波涟漪的神经活动的爆发为标志，导致海马体和大脑的协调活动前额叶皮层前额皮层是大脑中前额后面参与决策的区域。

但随着时间的推移，这些正向和反向重放事件如何影响实际的学习和决策仍不清楚。为了找到答案，Jadhav和共同第一作者Justin D. Shin和Wenbo Tang连续记录了老鼠在一天内学习如何在一个特殊的w形迷宫中导航时的大脑活动。这使得研究人员能够看到神经表征在大鼠学习过程中是如何变化的。

研究人员对老鼠进行了8次训练，让它们按照两条规则行走——一条简单的规则和一条复杂的规则——只要老鼠到达正确的目的地，它们就会得到奖励。这个简单的规则要求记住迷宫路径的起始和结束位置。这个复杂的规则依赖于工作记忆，要求大鼠记住前一个路径以便选择下一个目的地。

科学家们集中分析了老鼠在完成一条路径和选择下一条路径之间暂停的过渡时刻。正如研究人员所预期的那样，海马体中的重放事件显示了对过去路径的逆向激活，就像在倒带，并显示了对未来可能路径的正向激活，就像在快进。

正向和反向的重放模式是如此强大，以至于研究人员可以利用这些录音来预测大鼠在w型迷宫中的停留位置。在整个实验过程中，对大脑活动的持续记录显示，在大鼠学习这一简单规则的过程中，激活模式发生了变化。在学习的不同阶段，研究人员可以使用反向重放和正向重放模式分别预测动物刚刚走过的路径和它们接下来要去的地方。这些变化表明，反向回放对于从前一条路径中学习很重要，尤其是在学习的早期阶段，而正向回放对于计划下一条路径很重要，尤其是在学习的后期阶段。

随着时间的推移，与学习复杂工作记忆规则相关的激活模式更加一致:在整个学习过程中，反向回放事件重新激活所有可能的过去选择，正向回放事件重新激活所有可能的未来选择。

然而，当研究人员观察海马体和前额叶皮层重放事件之间的协调时，他们发现这两个大脑区域的协调再激活与大鼠的实际选择相关——也就是说，重放大鼠走过的路径比它们没有走过的路径的再激活更强。

总之，研究结果表明，海马体和前额叶皮层的协调回放在空间学习和记忆引导决策中起着重要作用。具体来说，研究结果表明，反向回放可能有助于反思和评估过去通向目标的路径的能力，而正向回放似乎有助于提前思考和计划未来通向目标的选择的能力。

“包括人类在内的许多物种都观察到‘重放’参与了记忆过程，这项研究证实，重放是多个物种进行内部对话的关键神经基质。大脑以支持我们学习、计划、选择和推断的能力，”Jadhav总结道。