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基本信息

Title:Subspace communication in the hippocampal–retrosplenial axis

發(fā)表時(shí)間:2026-05-13

發(fā)表期刊:Nature

影響因子:48.5

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研究背景

大腦在學(xué)習(xí)新經(jīng)驗(yàn)時(shí)面臨著一個(gè)經(jīng)典的計(jì)算困境：既要具備足夠的“可塑性”來(lái)快速編碼新信息，又要保持足夠的“穩(wěn)定性”以防止新信息覆蓋舊記憶（即避免災(zāi)難性干擾）。在系統(tǒng)層面上，這通常被解釋為海馬體（負(fù)責(zé)快速學(xué)習(xí)）與新皮層（負(fù)責(zé)長(zhǎng)期鞏固）之間的分工。然而，這種分工在真實(shí)的神經(jīng)環(huán)路中究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？

過(guò)去的研究大多局限于單一腦區(qū)，或者僅僅觀察兩個(gè)腦區(qū)之間的表面相關(guān)性。我們依然不清楚，當(dāng)海馬體接收來(lái)自上游的輸入時(shí)，它是如何將這些信息進(jìn)行幾何變換，并精準(zhǔn)路由給下游的新皮層目標(biāo)的。

為了回答這個(gè)真正涉及“跨腦區(qū)通信”的問(wèn)題，Gy?rgy Buzsáki團(tuán)隊(duì)在清醒行為小鼠身上使用了超高密度硅針（高達(dá)1024通道的SiNAPS和Neuropixels 2.0），首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)海馬齒狀回（DG）、CA3、CA2、CA1以及壓后皮層（RSC）單細(xì)胞活動(dòng)的同步大規(guī)模記錄。研究者引入了一種名為偏典型相關(guān)分析（pCCA）的降維技術(shù)，剝離了第三方腦區(qū)的干擾，精準(zhǔn)提取出負(fù)責(zé)腦區(qū)之間信息傳遞的“通信子空間”（communication subspaces）。這項(xiàng)研究不僅揭示了海馬-皮層軸的信息路由法則，也為理解大腦如何在動(dòng)態(tài)經(jīng)驗(yàn)中維持穩(wěn)定表征提供了全新的視角。

研究核心總結(jié)

這篇研究的核心在于揭示了CA1作為一個(gè)關(guān)鍵的“路由器”，如何通過(guò)重組神經(jīng)元群體來(lái)應(yīng)對(duì)不同的上下游腦區(qū)和不同的外部環(huán)境。

一、 CA1通過(guò)“子空間旋轉(zhuǎn)”實(shí)現(xiàn)靈活的信息路由

研究者發(fā)現(xiàn)，隨著信息從CA3傳遞到CA1，再到RSC，參與跨腦區(qū)通信的神經(jīng)元數(shù)量在逐漸增加，且存在高度重疊。既然是同一批神經(jīng)元在參與通信，CA1是如何區(qū)分“來(lái)自CA3的輸入”和“發(fā)往RSC的輸出”的？

答案在于“子空間旋轉(zhuǎn)”。CA1并沒(méi)有使用兩批完全獨(dú)立的細(xì)胞，而是將同一批共享神經(jīng)元的共激活模式進(jìn)行了重新組合。在數(shù)學(xué)上，這表現(xiàn)為CA1-CA3子空間與CA1-RSC子空間之間呈現(xiàn)出接近正交的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。這種正交旋轉(zhuǎn)使得CA1能夠靈活地整合上游輸入，并選擇性地驅(qū)動(dòng)下游皮層，而不會(huì)讓不同的信息流相互干擾。

Fig 1. 跨腦區(qū)子空間揭示了海馬與皮層之間結(jié)構(gòu)化的信息路由與旋轉(zhuǎn)機(jī)制。

大腦的通信機(jī)制不僅需要區(qū)分上下游，還需要適應(yīng)外部環(huán)境的變化。當(dāng)小鼠在兩個(gè)不同的迷宮中穿梭時(shí)，研究者追蹤了同一批跨腦區(qū)神經(jīng)元群體。

結(jié)果表明，盡管小鼠經(jīng)歷了空間重映射（place field remapping），但負(fù)責(zé)腦區(qū)通信的“子空間成員”依然是同一批神經(jīng)元。它們通過(guò)改變彼此之間的組合權(quán)重（即子空間在不同迷宮間發(fā)生了重組），來(lái)維持跨腦區(qū)的信息傳輸。這說(shuō)明，大腦在面對(duì)新環(huán)境時(shí)，不需要重新招募全新的通信網(wǎng)絡(luò)，而是通過(guò)調(diào)整既有網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下文依賴的計(jì)算。

Fig 2. 跨腦區(qū)子空間能夠根據(jù)不同的空間環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)重組。

究竟什么樣的神經(jīng)元有資格成為跨腦區(qū)通信的“子空間成員”？研究發(fā)現(xiàn)，這并非隨機(jī)分配，而是受到神經(jīng)元內(nèi)在屬性的嚴(yán)格限制。

無(wú)論是在海馬還是皮層，子空間成員神經(jīng)元普遍表現(xiàn)出更高的放電率和更強(qiáng)的爆發(fā)放電（bursting）傾向。更重要的是，在空間導(dǎo)航任務(wù)中，這些成員神經(jīng)元在解剖學(xué)上高度集中于CA3、CA1和RSC的“深層”子層（deep sublayers）。相比于非成員細(xì)胞，這些深層成員細(xì)胞不僅在時(shí)間上表現(xiàn)出更強(qiáng)的協(xié)調(diào)性，還能更好地維持與任務(wù)相關(guān)的低維流形幾何結(jié)構(gòu)，是驅(qū)動(dòng)群體表征的核心骨干。

Fig 3. 神經(jīng)元的內(nèi)在生理特征和解剖學(xué)深度決定了其是否能成為子空間的核心成員。

Fig 4. 相比于非成員細(xì)胞，子空間成員神經(jīng)元能更好地維持與迷宮任務(wù)相關(guān)的流形幾何結(jié)構(gòu)。

白天建立的通信子空間，在睡眠期間會(huì)發(fā)生什么？研究者對(duì)比了小鼠探索迷宮前后的非快速眼動(dòng)（NREM）睡眠，特別是海馬尖波漣漪（SPW-R）期間的活動(dòng)。

他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著的非對(duì)稱現(xiàn)象：CA1-CA3子空間在睡眠中被強(qiáng)烈再激活，并且表現(xiàn)出高度的可塑性（突觸相關(guān)性增強(qiáng)）；而CA1-RSC子空間在漣漪期間并未顯著再激活，其神經(jīng)元間的相關(guān)性甚至有所下降。這種差異完美契合了系統(tǒng)鞏固理論：海馬內(nèi)部（CA1-CA3）保持高度可塑性以編碼新經(jīng)驗(yàn)，而海馬到皮層的輸出（CA1-RSC）則保持相對(duì)穩(wěn)定，避免頻繁的突觸更新破壞皮層中已有的長(zhǎng)期記憶參考系。

Fig 5. 任務(wù)定義的CA1-CA3子空間在睡眠期間的重放，預(yù)測(cè)了神經(jīng)序列的再激活與突觸可塑性變化。

研究意義

這項(xiàng)工作在理論和方法學(xué)上都做出了重要推進(jìn)。

在理論層面，它提出了一個(gè)多級(jí)嵌套模型，解釋了大腦如何解決“可塑性與穩(wěn)定性”的矛盾。通過(guò)在單一腦區(qū)（CA1）內(nèi)對(duì)輸入和輸出子空間進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，大腦巧妙地隔離了不同計(jì)算流，防止了災(zāi)難性干擾。同時(shí)，深層細(xì)胞負(fù)責(zé)穩(wěn)定的空間通信，而淺層細(xì)胞則保留了靈活招募的潛力（例如在嗅覺任務(wù)中，淺層細(xì)胞成為了子空間的主導(dǎo)）。

在方法學(xué)層面，該研究證明了超高密度多腦區(qū)同步記錄結(jié)合偏典型相關(guān)分析（pCCA）的巨大潛力。它讓我們不再停留在“某腦區(qū)是否激活”或“兩腦區(qū)是否相關(guān)”的粗淺層面，而是真正深入到神經(jīng)流形的幾何結(jié)構(gòu)中，看清了信息是如何在復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中被打包、旋轉(zhuǎn)和精準(zhǔn)投遞的。這為未來(lái)研究跨腦區(qū)認(rèn)知功能提供了一個(gè)極具啟發(fā)性的分析框架。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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