引言
作為情景記憶的關鍵腦區，海馬體能夠編碼空間和時間資訊，對于情景記憶至關重要。然而，空間和時間表征在海馬記憶系統中的互相作用機制仍然不明确。
2024年9月5日，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所王成研究員團隊和南方科技大學生命科學學院陳小菁助理教授團隊，聯合在Neuron雜志發表題為“Integration and competition between space and time in the hippocampus”的研究論文，首次報道了：1) 海馬神經元在多個一維導航任務中能同時編碼空間和時間資訊；2）空間編碼與時間編碼之間存在負相關性。該研究揭示了單個海馬神經元對空間-時間編碼的競争-整合機制，為了解以時空資訊為背景的情景記憶表征提供了重要的神經基礎。
早期研究發現，海馬體中存在位置細胞和時間細胞，可以表征生物體在環境中的位置和特定時間段内的某個時刻。當使用不同的時間間隔時，時間細胞可能出現保持不變、重新計時，或按比例重新調整的情況，進而實作對時間體驗的靈活表征。位置細胞和時間細胞構成了情景記憶中空間和時間背景信号的可能神經基礎。
然而，海馬神經元在時空連續體中表征空間和時間的程度以及時空表征如何互相作用仍然是未解之謎。大多數傳統研究在不同任務階段分别考察空間或時間的表征。但是心理實體學研究表明，空間和時間的感覺之間存在互相影響（如，距離判斷往往随刺激的時間間隔增加而增加；同樣，時間判斷也随刺激的空間間隔增加而增加），這引發了關于海馬表征中是否存在類似互動作用的問題。
王成研究員和陳小菁助理教授長期從事海馬相關腦區的空間和時間資訊處理的神經機制的研究。團隊的前期工作報道了外側内嗅皮層和内側内嗅皮層分别基于自我中心和世界中心參考系編碼空間資訊（Science 2018），壓後皮層對多場景多物體空間感覺的自我中心編碼及微環路整合機制（Neuron 2024），以及外側内嗅皮層的多尺度時間編碼與任務經驗的關系（Nature 2018）。為了進一步研究空間資訊與時間資訊編碼的互相作用機制，團隊設計了多種虛拟現實導航任務及現實世界任務，使用在體單光子顯微鏡技術，記錄和研究了不同運動速度下海馬CA1腦區神經元的時空表征。
模式圖（Credit: Neuron）
研究發現，不論是純粹的空間導航任務（固定距離長度的運動，沒有明确的時間資訊線索）還是純粹的時間感覺任務（固定時間周期的運動，沒有空間視覺輸入線索），海馬CA1的許多神經元存在空間-時間資訊的共同表征，即在同一個任務裡可以同時表現為位置細胞（編碼跑道中的具體位置）和時間細胞（編碼從起始位置開始的已逝運動時間）。此外，時間表征能夠捕捉行為任務中時間結構的相似性，可能有助于遷移學習。這些結果提供了位置細胞和時間細胞的統一處理，并與基于海馬體時空架構組織情景記憶的理論相一緻。
研究還發現，海馬的空間編碼與時間編碼之間存在競争關系。例如對于某些位置細胞，偏好空間位置與已逝時間呈負相關關系，即在更短的時間周期下位置場會往後發生位移。同樣，對于某些時間細胞，偏好時間與行進距離之間也存在負相關關系。這種競争性的負相關性可以顯著增強另一個次元的資訊量。這些結果表明，空間和時間編碼存在競争-整合機制，符合不同腦區中認知變量的多重編碼，可能作為時空軌迹或背景更好地服務于情景記憶。
參考文獻
https://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273(24)00579-8
責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“BioArt”
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