脑网络组研究中心揭示人脑杏仁核-海马神经环路在工作记忆加工的功能特点

信息时间：2023-05-26 信息来源：中国科学院自动化研究所

人类如何记住和回忆事物是脑科学的难题，工作记忆（Working Memory）是人类临时保存和使用信息的系统，就像计算机的高速内存。它不仅是日常生活的必需，也是语言理解、学习和推理等高层次认知功能的基础。探索工作记忆的神经机制对于理解人脑高层次认知功能的原理有重要意义。 

2023年5月23日，中国科学院自动化研究所脑网络组研究中心蒋田仔团队与瑞士苏黎世大学医院合作，在《Nature Communications》杂志上在线发表了一篇名为“Functional Specialization and Interaction in the Amygdala-Hippocampus Circuit during Working Memory Processing”的研究论文。该论文运用颅内脑电信号和多种脑电分析方法以及机器学习模型，系统分析了人脑杏仁核-海马环路在工作记忆编码和维持阶段的功能分工和协同模式，为该环路在工作记忆中的作用提供了新的视角。 

内侧颞叶在工作记忆中的作用越来越受到关注，因此，揭示内侧颞叶的不同脑区在工作记忆的功能是理解工作记忆神经基础的重要突破口。本研究主要探索了杏仁核和海马在工作记忆中的作用。传统上，杏仁核被认为是处理情绪信息的重要脑区，但最近的研究发现杏仁核有多维响应特性1，在记忆非情绪刺激方面发挥作用2；海马通常被认为在长时记忆中起重要作用3。近年来，一些研究指出杏仁核和海马参与工作记忆4。之前，蒋田仔团队报道了人脑海马亚区在工作记忆维持阶段θ频段神经振荡活动的动态过程5。然而，在神经环路层面上，杏仁核-海马环路如何分工和协作支持工作记忆的不同阶段还不清楚。 

为了解决这个问题，本研究收集了14名难治性癫痫患者在完成工作记忆任务时杏仁核和海马的颅内脑电信号，采用多种脑电分析方法和机器学习模型，从局部活动和信息交互层面系统分析了杏仁核和海马在工作记忆编码和维持阶段的神经表征模式和信息传递方向，并基于此解码了工作记忆的负载（图1）。



图1. 本论文研究框架示意图。a 杏仁核和海马在编码阶段的表征独特性；b 两个脑区在编码-维持阶段的表征稳定性；c 杏仁核-海马在编码和维持阶段的信息交互模式；d 基于上述神经特征，利用支持向量机分类模型解码不同负载的工作记忆信息。

首先，研究人员基于多元表征相似性方法计算了杏仁核和海马在编码阶段的不同刺激间的表征差异，发现杏仁核特异性编码工作记忆信息，并且杏仁核的编码表征能比海马更准确地判断工作记忆的负载（图2(A)）。同时，研究人员计算了这两个脑区在编码-维持阶段的表征一致性，发现海马在维持阶段能更好地保持对工作记忆信息的表征，并且海马的编码-维持表征一致性能比杏仁核更准确地判断工作记忆的负载（图2(B)）。接着，研究人员利用有向连接指标计算了杏仁核-海马在编码和维持阶段的信息传递方向，发现这两个脑区在低频（1-40Hz）存在双向信息流，研究人员进一步发现编码阶段从杏仁核到海马的信息流和维持阶段从海马到杏仁核的信息流分别能更准确地解码工作记忆负载（图2(C)）。这些发现共同揭示了人脑杏仁核-海马环路功能特异性的神经表征和相互作用模式支持了工作记忆编码和维持阶段的加工。 



图2. 本文主要发现。（A）杏仁核在编码阶段特异性编码工作记忆内容，并成功解码工作记忆负载信息；（B）海马在维持阶段更好地保持对工作记忆信息的编码，并成功解码负载信息；（C）杏仁核-海马在编码和维持阶段存在低频（1-40Hz）双向信息流，编码阶段从杏仁核到海马的信息流和维持阶段从海马到杏仁核的信息流均可解码工作记忆负载。 

综上，本研究通过系统分析人脑杏仁核-海马环路在工作记忆编码和维持阶段的神经表征和信息传递模式，揭示了杏仁核和海马的功能分工与协作模式支持工作记忆加工。这些研究结果不仅为深入理解工作记忆的神经机制提供了新的依据，也为相关疾病（如表现出工作记忆缺陷的精神分裂症和阿尔兹海默症）的研究提供了新的视角。此外，通过结合颅内脑电记录，多变量分析和机器学习的方法也为未来的脑-机接口研究和神经反馈治疗提供了新的研究框架。 

本论文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，蒋田仔研究员与瑞士苏黎世大学Johannes Sarnthein教授为共同通讯作者，中国科学院自动化研究所余山研究员、肖新羽博士生也参与了此项研究。该研究工作得到了科技创新2030-重大专项（2021ZD0200200）、国家自然科学基金（32271085, 82151307）、中国科学院先导项目（XDBS01030200）、国家认知神经科学与学习重点实验室开放课题（CNLYB2004）、之江实验室重大项目（2022KI0AC02； 2022ND0AN01）以及瑞士国家科学基金（SNSF 204651）的资助。 

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38571-w 

参考文献：

1.Gothard KM. Multidimensional processing in the amygdala. Nat Rev Neurosci 21, 565-575 (2020). 　  

2.Inman CS, et al. Direct electrical stimulation of the amygdala enhances declarative memory in humans. Proc Natl Acad Sci U S A 115, 98-103 (2018). 

3.Eichenbaum H. Memory, amnesia, and the hippocampal system. MIT press (1993).  

4.Boran E, et al. Persistent hippocampal neural firing and hippocampal-cortical coupling predict verbal working memory load. Sci Adv 5, eaav3687 (2019).  

5.Li J, et al. Anterior-Posterior Hippocampal Dynamics Support Working Memory Processing. J Neurosci 42, 443-453 (2022).