3月25日，我校光子芯片研究院謝紅研究員與上?？萍即髮W管吉松教授課題組合作在國際學術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature communications）在線發(fā)表論文《在海馬損傷小鼠皮層中執(zhí)行新記憶植入》（Acquiring new memories in neocortex of hippocampal-lesioned mice），揭示了海馬體（Hippocampal complex, HPC）和大腦皮層（Cortex）在學習過程中的相互作用機制（圖1）。該研究為海馬在記憶中的索引功能提供了明確的生物學證據(jù)：研究發(fā)現(xiàn)皮層不同功能區(qū)間的長距離伽馬（γ）頻段同步信號是受到海馬調(diào)控的記憶索引信號，正是這個信號偶聯(lián)不同腦區(qū)的記憶印跡細胞活動并介導皮層中記憶的存儲與提取過程。海馬損傷的動物無法學習新的任務(wù)形成新的記憶，然而，當提供仿海馬的人工索引信號后則可以完全修復其損傷的學習記憶功能，實現(xiàn)了腦功能的人工機制替代，邁出了大腦運行編碼機制模仿與調(diào)控的重要一步。
圖1. 海馬體HPC介導大腦皮層多功能腦區(qū)的活動同步（圖：郭修賢）。
研究亮點
海馬體與大腦皮層是哺乳動物中負責情景記憶的核心腦區(qū)?？茖W史上著名的失憶者H.M.（Henry Gustav Molaison）就是因為治療癲癇而切除了雙側(cè)海馬，進而導致了記憶的順行性遺忘，不能形成新的記憶。在謝紅研究員與管吉松教授課題組的前期合作中，相關(guān)的基礎(chǔ)研究揭示了記憶印跡細胞網(wǎng)絡(luò)在大腦皮層中負責情景記憶信息的存儲（PNAS 2014, Cereb Cortex 2019），這樣的分布式稀疏編碼神經(jīng)元在功能上具有記憶與信息存儲能力。然而，這些皮層中，各個功能腦區(qū)內(nèi)分布式存在的記憶印跡細胞是如何配合在一起記錄信息的并不清楚。
該研究揭示了海馬體和大腦皮層在學習過程中的相互作用機制，以及大腦皮層中記憶信息存儲與提取的基本編碼原則：首先，該項研究首次揭示了海馬體HPF通過其外側(cè)內(nèi)嗅皮層（Lateral entorhinal cortex，LEC）投射到包括視覺皮層、感覺皮層、運動皮層和壓后皮層等廣泛的皮層淺層區(qū)域，誘導多個腦區(qū)皮層腦電的γ周期振蕩的同步化，從而調(diào)節(jié)了各區(qū)域中的記憶印跡細胞并整合形成完整的記憶寫入和提?。▓D2）。研究者構(gòu)建了有趣的迷宮行為范式。研究發(fā)現(xiàn)，在記憶過程中，小鼠的腦電波變得同步了。這是怎么一回事呢？原來多個神經(jīng)元的同步活動會造成局部電場的周期震蕩，所以腦電波能夠反映局部神經(jīng)元的活動一致性。一般來說不同腦區(qū)的主要的腦電波頻率和相位是不同的，但是研究者發(fā)現(xiàn)在小鼠記憶過程中，如同軍隊訓練時軍人們整齊一致的身體動作般，不同腦區(qū)的腦電波趨于整齊一致了（同步化）。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)了海馬體實現(xiàn)記憶寫入的重要機制，即這種腦電波同步化其實是海馬和外側(cè)內(nèi)嗅皮層誘導的，實現(xiàn)皮層各腦區(qū)之間的相互通訊，從而促進記憶大腦網(wǎng)絡(luò)的形成。其次，該項研究進一步發(fā)現(xiàn)：局部的記憶印跡細胞在長距離網(wǎng)絡(luò)同步化的編碼調(diào)控機制下形成了對完整場景信息的展現(xiàn)，即皮層記憶印跡網(wǎng)絡(luò)編碼了場景相關(guān)的全局性整合信息；而通過海馬θ波調(diào)制的γ周期性振蕩信號是整合存儲與提取相關(guān)全局性記憶信息的關(guān)鍵（圖2）。從而揭示了全局性（整合）信息的分布式存儲與處理編碼原則，提示了大腦皮層記憶印跡網(wǎng)絡(luò)的分散存儲、整合提取的多感知記憶融合學習特性。
圖2. 海馬HPC-外側(cè)內(nèi)嗅皮層LEC通過伽馬同步（γ synchrony）幫助皮層記憶形成與提取。插圖顯示海馬θ波、皮層的長程γ同步活動和皮層印跡細胞的活動，三者耦合進行信息編碼存儲。記憶編碼的每個皮層區(qū)域的部分信息通過海馬θ波調(diào)制的皮層γ同步活動進行整合，從而形成完整的記憶表征。
此外，該系列基礎(chǔ)理論研究揭示了以皮層記憶印跡網(wǎng)絡(luò)為認知計算架構(gòu)的新型仿腦智能結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了分布式存儲與多感知整合的高效編碼方式，提示了以海馬調(diào)制下局部記憶印跡的多腦區(qū)同步化為學習的手段，從而建立多感知信息輸入下的跨皮層記憶印跡網(wǎng)絡(luò)，形成了整合全局性高階信息的新型仿腦計算體系。該皮層記憶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為人工智能光子芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計和全新認知學習算法理論與機制研究提供了重要的生物機制借鑒，為建立新型分布式存算一體化類腦智能計算模型奠定了基礎(chǔ)。
上?？萍即髮W生命科學與技術(shù)學院管吉松教授為本文的通訊作者，上科大博士后羅文翰、韻迪為本文的共同第一作者。研究得到深圳先進研究院詹陽研究員、上海理工大學謝紅研究員的大力支持。
【相關(guān)】
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29208-5
供稿：光子芯片研究院
