【原】bioRxiv丨新研究揭示小鼠前额叶皮层在工作记忆过程中的信息加工差异

脑声常谈 2024-05-01 发布于上海

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工作记忆（WM）是一种重要的认知功能，可以暂时记住最近的信息，以告知未来的行动。这一过程依赖于前额叶皮层（PFC）的关键亚区和其他连接的脑区之间的协调。然而，很少有研究利用自由移动的动物，特别是小鼠的电生理记录检测在整个WM阶段中这些亚区之间的功能特化程度。

基于此，2024年4月28日俄勒冈健康与科学大学神经科学系Atheir I. Abbas研究团队在bioRxiv杂志发表了“Divergent Subregional Information Processing in Mouse Prefrontal Cortex During Working Memory”揭示了工作记忆过程中小鼠前额叶皮层分区信息加工的差异。

为此，作者记录了在小鼠辅助运动区（MOs）、背内侧PFC（dmPFC）和腹内侧（vmPFC）中的单个神经元。发现在WM阶段中与任务相关的活动的不同模式。MOs在任务相转变最活跃，背内侧PFC包含一个更稳定的群体代码，最后，vmPFC在选择阶段对奖励相关信息的反应最强烈。作者的研究结果揭示在单一行为试验的所有阶段，dmPFC群体稳定地编码回顾性样本位置，而MOs优先考虑转换，vmPFC对选择和结果变量最敏感。

图一行为和电极植入

为了检验空间WM和PFC亚区域活动之间的关系，小鼠将水限制在其初始体重的90%，并接受自由移动、延迟非匹配位置（DNMTP）WM任务训练。这个任务的设计是为了让小鼠在延迟期结束之前无法知道它们需要访问的确切选择端口。每天至少收集每只小鼠三次同时进行的行为和电生理数据。

图二在WM的样本/编码阶段，MOs更活跃

作者追踪了在DNMTP任务的所有关键阶段的分区神经放电活动。FR的热图是通过首先对单独的伪种群中所有神经元的100 ms箱中的峰值计数进行z评分来创建的，然后在样本鼻戳周围从最高到最低的峰值z评分活动进行排序。对每个时间点的平均z评分伪种群FR进行定量分析显示，在样本戳前200- 300毫秒窗口内，与其他两个植入位置相比，MOs的放电率显著提高。dmPFC和vmPFC在任何时间点均无显著差异。使用排列测试方法，发现MOs中也包含了最多的神经元，其次是dmPFC，最后是vmPFC。这些结果表明，这些不同的子区域不仅在样本阶段的开始，而且在编码样本端口位置，其功能梯度在MOs中最强，在vmPFC中最弱。

图三 MOs最能区分任务阶段

虽然回顾性样本端口身份的选择性编码是成功执行DNMTP所必需的，但它并不是小鼠必须不断监测的唯一任务参数，以做出正确的非匹配选择并最大化奖励。动物还必须知道任务的其他几个方面，包括跟踪任务的哪个阶段，以便在特定的时间点制定正确的运动策略，即将到来的选择端口位置和最终做出选择的位置，以及选择的结果是什么(正确或错误)，以便鼠可以在必要时更新其策略。在单个试验的时间过程中，任何或所有这些因素都可能在任何给定的时间点相互作用。与dmPFC和vmPFC相比，小鼠过渡到poke周围的任务阶段在MOs中占据了更多的神经变异。dmPFC进一步将这个变量编码到比vmPFC更大的程度。作者应用了多类编码方案而不是二进制编码方案，因为模型现在有三种可能的选择(样本、延迟或选择)来区分。该方法能够在所有子区域以100%的准确率解码poke。