自动化所团队揭示人类海马体精细亚区处理工作记忆的神经动力学机制

　　工作记忆是一种对信息进行暂时加工和贮存的容量有限的记忆系统，作为知觉、长时记忆和动作之间的接口，是思维过程的一个基础支撑结构。海马体则被认为是执行工作记忆认知功能的重要脑区，人类电生理研究一致发现海马体单个神经元在工作记忆加工中持续放电。然而，海马体由不同的精细亚区组成，是一个复杂的异质结构，各精细亚区如何参与并协同完成工作记忆认知活动仍然未知。 

　　近日，中国科学院自动化研究所脑网络组研究中心联合瑞士苏黎世大学医院结合脑网络组图谱和颅内脑电信号高时空分辨率的特点，揭示了人类海马体前后亚区执行工作记忆的神经振荡特征及相互作用的动力学过程，证明了海马体前后亚区通过3-12Hz频段的同步振荡活动以后海马向前海马的信息传递支持工作记忆加工。 

　　研究者招募了14名在海马体植入深部电极的难治性癫痫患者完成经典的工作记忆认知任务。 

　　注：这些患者因抗癫痫药物治疗无效，需要接受手术治疗。术前临床医生会在患者脑内植入多根深部电极采集场电位信号以精确评估致痫灶的位置。 

　　图1. 实验范式，电极位置和海马体前后亚区神经振荡模式

　　研究发现，在工作记忆维持期间海马体前后亚区低频神经振荡活动显著升高，说明海马体前后亚区均参与了工作记忆认知过程。在3-12Hz频段，海马体前后亚区之间相位同步活动增加，且后海马驱动前海马完成神经信息传递，后海马在该频段的相位与前海马的高频幅值存在显著耦合的关系。而这些现象在错误加工工作记忆时则会消失。以上结果说明：海马体前后亚区通过特定的神经信息传递方向支持正确的工作记忆加工。  

图2. 人类海马体前后亚区之间相互作用及特定的神经信息传递方向支持正确的工作记忆加工

　　综上，该研究证明人类海马体前后亚区通过3-12Hz频段的同步振荡活动以后海马向前海马的信息传递支持工作记忆加工，揭示了海马体精细亚区在工作记忆认知活动中的神经动力学机制。  

　　包括阿尔兹海默症在内，许多神经退行性疾病的核心认知功能症状涉及工作记忆缺陷。因此，了解工作记忆潜在的神经机制至关重要。该研究成果不仅为验证脑网络组图谱海马精细结构加工工作记忆的神经机制提供了科学依据，也在一定程度上有助于此类神经疾病新型生物标志物的开发，为今后特异性脑认知检测与神经调控的研究提供了重要基础。  

　　相关研究近期于国际学术期刊Journal of Neuroscience发表，通讯作者为中国科学院自动化研究所蒋田仔研究员和瑞士苏黎世大学Johannes Sarnthein教授，第一作者为中国科学院自动化研究所李瑾副研究员和曹丹助理研究员。中国科学院自动化研究所余山研究员、樊令仲研究员和博士生时维阳也参与了此项研究。

 

论文地址：Li, J., Cao, D., Dimakopoulos, V., Shi, W., Yu, S., Fan, L.,Stieglitz, L., Imbach, L., Sarnthein, J. and Jiang, T., 2021.Anterior-posterior hippocampal dynamics support working memory processing. Journal of Neuroscience. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1287-21.2021.