Nature | 科学家识别出一组能参与工作记忆的特殊脑细胞

在工作记忆中保留信息是一个要求非常高的过程，其依赖于对认知的控制来保障临时记忆痕迹免受干扰，然而，目前研究人员并不清楚认知控制调节机体大脑工作记忆储备背后的分子机制。

近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“Control of working memory by phase–amplitude coupling of human hippocampal neurons”的研究报告中，来自西达赛奈医学中心等机构的科学家们通过研究揭示了负责工作记忆的脑细胞是如何协调有意识的注意力和短期信息存储。工作记忆，正如记住一串较长电话号码以便拨打那样，是一种短暂的信息保持形式。

研究者Jonathan Daume博士表示，这项研究中我们首次识别出了一组特殊的神经元，其受到了两类脑电波的影响，这种脑电波能协调工作记忆中的认知控制和感觉信息的储存，尽管这类神经元自身并不直接储存信息，但在短期记忆保存过程中却起到了至关重要的作用。

工作记忆仅需大脑在数秒内暂存信息，这一过程极为脆弱，需持续的关注力维系，同时也易受各种疾病及状态影响，如阿尔茨海默病和注意力缺陷多动障碍等疾病，患者的困难并非在于信息存储本身，而是集中在注意力的保持以及已形成的记忆能否有效维持。

研究者坚信，深入理解工作记忆的调控机制可能是研发针对此类以及其它神经系统疾病创新疗法的关键基石。为了探究工作记忆功能的具体运作方式，研究团队记录了36名接受手术并在大脑中植入电极的住院患者的大脑活动数据，这部分患者正在接受癫痫诊断。当患者执行涉及工作记忆的任务时，研究者实时捕捉了单个脑细胞的活动情况以及脑电波变化。

科学家识别出一组能参与工作记忆的特殊脑细胞

图片来源：Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07309-z

实验过程中，研究人员在电脑屏幕上向患者展示一张或多张包括人物、动物、物体或风景在内的图片，然后屏幕会在不足三秒的时间内变为空白。此时，研究人员要求患者记住刚刚看到的图片；接着展示另一张图片，让患者判断该图是否为先前所见，或是最初三张图片之一。

当患者在运用工作记忆完成任务时表现得准确快速时，研究者观察到两类神经元——类别神经元和相位振幅耦合神经元（PAC神经元）均有放电现象。其中，“类别神经元”对照片中呈现的某一类别（例如动物）产生响应，而PAC神经元虽然不携带具体内容，但却通过相位振幅耦合过程确保了类别神经元对特定内容的聚焦和记忆固化。PAC神经元能与大脑中的θ波（与注意力和控制相关）和γ波（与信息处理关联）同步放电，从而可能协调类别神经元的活动。类别神经元进而适时地向大脑发射γ波，增强了患者回忆工作记忆中储存信息的能力。

研究者Rutishauser形象地比喻道，设想一位患者看到一张狗的图片，他大脑中的类别神经元开始发出“狗、狗、狗”的信号，而PAC神经元则仿佛发出“请注意/记住”这样的指令。借助相位振幅耦合机制，这两类神经元共同创造了一种和谐的信息叠加效应，相当于“记住这只狗”，形成了整体效果大于各部分简单相加的局面，就像一支交响乐团中，指挥者（此处指PAC神经元）协调各个乐手和谐地奏出美妙的乐章。

PAC神经元在海马体中完成了这个关键过程，海马体是大脑内长期被认为是长期记忆核心的重要区域。本研究首次揭示了海马体可能在控制工作记忆方面同样担当着关键角色。

参考文献：

Daume, J., Kamiński, J., Schjetnan, A.G.P. et al. Control of working memory by phase–amplitude coupling of human hippocampal neurons. Nature (2024). doi：10.1038/s41586-024-07309-z