2024年9月18日，Science Advances期刊在线发表了题为Spatial dissociation between recognition and navigation in the primate hippocampus的研究论文。研究通过对猕猴进行高通量的无线电生理记录、无线眼动追踪和精确的运动捕捉，发现不同的海马神经元分别参与再认记忆和空间信息的编码，且这种编码沿海马长轴及新皮层前-后轴呈现出完全相反的梯度，揭示记忆和空间导航可能具有独立的神经机制。
长久以来，大量的研究都证明海马对记忆和空间导航都至关重要。那么海马究竟通过怎样的神经机制同时发挥这两个作用的？为探究这一问题，研究人员采用了多任务设计研究了再认记忆和空间导航之间的联系，训练猕猴在同一天依次进行视觉配对比较任务（Visual paired-comparison）和自由导航任务（Free foraging）（图1）。这种多任务设计使得研究人员可以观察相同的海马神经元如何在不同任务之间转换表征。视觉配对比较任务不涉及强化学习，无需奖励，测试猕猴的无意记忆（Incidental memory）；在自由导航任务中，猕猴允许在一个3.5mx3.5mx2.2m的旷场中自由寻找随机掉落在运动场地上的食物颗粒。
图1：A. 实验流程示意图。猕猴在同一天内依次完成视觉配对比较任务和自由导航任务。并且在这两个任务期间记录同一批神经元，分析它们的跨任务表征。B. 运动场中使用的便携式无线双眼眼动、无线电生理及运动捕捉系统。通过这些记录，可提取多种任务相关空间信息。
研究人员利用自研高通量电极系统在猕猴眶额皮层、海马和压后皮层记录了大量的神经元活动。结果表明，在视觉配对比较任务中，23.1%海马神经元显示出与再认记忆表现的强相关。在自由导航任务中，和之前的研究一致，海马神经元编码了丰富的空间信息，且大多呈现出对多种空间变量的混合表征。其中，与啮齿类动物不同，空间选择性更多的被视觉空间（spatial view）而不是猕猴所在的位置信息所主导。
当聚焦于两个任务中共同记录到的神经元时，结果显示编码再认记忆与空间信息的神经元群体是趋于独立的。记忆调谐的神经元携带较少的空间信息；同样，具有空间调谐的神经元表现出有限的记忆编码（图2）。此外，考虑到海马前、后端连接的差异，编码再认记忆信息的海马神经元更多的集中在海马前端，而海马后端则编码更多的空间信息。海马与再认记忆和空间表征的相关性分别延海马前-后轴表现出相反的梯度。进一步，考虑到海马与其前后端新皮层之间的投射，这种相反的梯度也延伸到了海马-新皮层网络的前端和后端。处于海马前侧的眶额皮层中有更强的再认记忆的编码，而位于海马后侧的压后皮层则拥有更强的空间信息的编码（图3）。
图2：趋于独立的海马神经元群体分别参与编码空间信息和再认记忆信息
图3：关于再认记忆和空间导航信息的表征沿海马长轴以及海马-新皮层网络呈现出相反的梯度这一项工作探究了猕猴海马和新皮层神经元参与再认记忆和空间导航的机制，揭示了沿着海马长轴及新皮层前后轴均存在再认记忆和导航之间相反的梯度。这些发现有助于进一步理解高级认知功能，促进对非人灵长类脑功能的深入解析。后续工作需要进一步探索海马和新皮层之间在再认记忆和空间导航表征中的因果关联。
该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心神经动态与认知研究组博士研究生许霄和杜可晨在毛盾研究员的指导下完成。该研究获得科技部、基金委及中国科学院的经费资助。
