UCI团队揭示了及时组织记忆的关键大脑机制

加州大学尔湾分校的研究人员发现了大脑海马区将记忆组织成序列的基本机制，以及这一机制如何被用来计划未来的行为，这是科学上的首次。这一发现可能是了解认知障碍(如阿尔茨海默氏症和其他形式的痴呆症)中记忆失败的关键的早期一步。

将啮齿类动物的电生理记录技术与对大量数据的统计机器学习分析相结合，UCI的研究人员发现了证据，表明海马网络编码和保存经验的进展，以帮助决策。该团队的工作是最近发表在《自然通讯》上的一篇论文的主题。

“我们的大脑会很好地记录特定的经历或事件发生的时间。这种能力帮助我们在日常生活中发挥作用，但在这项研究之前，我们对这些过程背后的神经元机制并不清楚，”通讯作者诺伯特·福丁说，他是UCI神经生物学和行为副教授。“它与每个人的联系是，这种记忆在各种神经障碍中或只是随着年龄增长而受到严重损害，所以我们真的需要知道这种大脑功能是如何工作的。”

该项目历时三年多完成，涉及实验和数据分析阶段。在对老鼠进行一系列气味识别测试时，研究人员监测了它们大脑中神经元的放电情况。通过以不同的顺序呈现五种不同的气味，科学家们能够测量动物对正确顺序的记忆，并检测它们的大脑如何捕捉这些顺序关系。

Fortin说:“我认为这个类比就是计算。”“如果我在你的大脑中植入电极——我们做不到;这就是我们用老鼠做实验的原因——我可以在任何给定的时刻看到哪些细胞在放电，哪些没有放电。这让我们对大脑如何表示和计算信息有了一些了解。当我们在一个结构中记录活动模式时，就像我们在电脑中看到0和1一样。”

神经元活动和不活动的测量以毫秒为间隔在几分钟内获得，呈现出大脑功能的动态图像。Fortin说，在某种程度上，他和他的同事能够通过快速连续观察细胞的“编码”——哪些被激活了，哪些没有被激活——来“读懂他们的思想”。

“当你在思考某事时，它会迅速移动，”他说。你不会在那段记忆里停留太久。现在，它正在被呈现出来，但我们可以看到它是如何迅速改变的。”

福丁很早就知道，对海马体活动的读数会产生大量的原始数据。从项目的开始阶段，他就争取了唐纳德·布伦信息与计算机科学学院的统计学家的参与。

“当时我们在实验室里遇到的神经科学问题，与我们掌握的统计学知识相比，实在是太先进了。这就是为什么我们需要与具有数据科学专业知识的合作伙伴合作。”

“这些新兴的神经科学研究依赖于数据科学方法，因为他们的数据很复杂，”资深合著者Babak Shahbaba说，他是UCI的校长研究员和统计学教授。“大脑活动以毫秒的速度被记录下来，这些实验持续了一个多小时，所以你可以想象数据量的增长有多快。”这使得神经科学家需要更先进的技术来实现他们想象但无法实现的东西。”

他指出，当神经元对记忆等信息进行编码时，科学家们可以通过检查所有记录下来的神经元(统称为一个整体)的峰值活动模式来了解这一过程。

Shahbaba说:“我们发现，我们可以将这些神经模式视为图像，这开启了我们应用深度机器学习方法的能力。”“我们用卷积神经网络分析数据，卷积神经网络是一种经常用于面部识别等图像处理应用的方法。”

通过这种方式，研究人员能够解码神经元的放电来获取信息。

“我们知道气味B的特征是什么样子的，就像我们知道气味A、C和D的特征一样，”Fortin说。“正因为如此，你可以看到这些签名何时在不同的时间时刻重新出现，比如当我们的研究对象预期一些尚未发生的事情时。”我们看到这些签名在他们思考未来时被快速回放。”

Shahbaba说，在这个项目中开发的工具和方法可以应用到很多问题上，Fortin可能会把他的研究延伸到大脑的其他区域。

这项研究是UCI等机构融合研究力量的一个例子。沙巴巴说:“我可以直接看到这给我们的学生带来的变化。诺伯特神经科学小组的研究人员正在上数据科学课，他们现在可以提出一些过去无法调查的真正重要的科学问题，而我自己的学生正在以一种前所未有的方式从根本上思考科学方法。”

他补充说，“通过这种合作，我们正在培训下一代科学家，他们拥有进行跨学科研究所需的技能。”

Fortin和Shahbaba与UCI计算机科学杰出教授pierre Baldi一起参与了这个项目;李玲阁，2020年在UCI获得统计学博士学位;Forest Agostinelli, 2019年在UCI获得计算机科学博士学位，现在是南卡罗来纳大学的助理教授;UCI神经生物学和行为学博士生Mansi Saraf和Keiland Cooper;加州大学洛杉矶分校统计学博士生Derenik Haghverdian;以及加州大学欧文分校博士后项目科学家加布里埃尔·埃利亚斯(Gabriel Elias)。资金由美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会和白厅基金会提供。

加州大学欧文分校简介:加州大学欧文分校成立于1965年，是著名的美国大学协会(Association of American Universities)最年轻的成员，并被《美国新闻与世界报道》(U.S. News & World Report)评为全美排名前十的公立大学。校园培养了5名诺贝尔奖得主，并以其学术成就、卓越的研究、创新和食蚁兽吉祥物而闻名。在校长霍华德·吉尔曼的领导下，UCI有36,000多名学生，提供224个学位项目。它坐落在世界上最安全、经济最活跃的社区之一，是橘子郡最大的雇主，每年为当地经济贡献70亿美元，为全州贡献80亿美元。有关UCI的更多信息，请访问www.uci.edu。

Hippocampal ensembles represent sequential relationships among an extended sequence of nonspatial events