近日，上海科技大学生命科学与技术学院管吉松课题组在国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上发表题为“Distributed cortical learning through LEC-mediated γ-synchrony”的研究论文，系统阐明了外侧内嗅皮层（LEC）介导的皮层间Gamma同步振荡（γ-synchrony）在衔接强化学习与长期记忆存储过程中的关键桥梁作用，为理解大脑如何将学习经验内化为神经网络的持久性改变提供了新的理论框架与实验依据。
长期记忆的编码有赖于多个脑区间精密的协同活动。不同频率的神经振荡为神经元群体活动提供了时间上的同步窗口，是大脑信息处理的重要机制。本研究运用多通道电生理记录、双光子钙成像及光纤记录等技术，系统记录了小鼠在联系性学习过程中多个皮层区域的神经活动。结果表明，随着联系性学习训练的推进，LEC介导的皮层间Gamma同步振荡信号的动态变化，与强化学习理论中的时序差分学习模型（TD learning）高度吻合，提示该信号可能是腹侧被盖多巴胺神经元（VTADA）所编码的奖赏预测误差（Reward Prediction Error, RPE）信号在皮层水平上的神经表征。进一步对VTADA-LEC环路的光遗传学操纵结果表明，激活该环路可显著提升小鼠的学习记忆能力。综合相关性与因果性证据，该研究揭示了一条RPE信号经VTA-LEC-皮层环路自下而上的层级传递途径（图1），而Gamma同步振荡信号可能在其中发挥跨脑区信息整合的关键作用。
图1. RPE信号经VTA-LEC-皮层环路自下而上的层级传递途径
为明确Gamma同步振荡与记忆印迹细胞（Engram）的动态关系，研究采用双光子成像联合高密度柔性电极同步记录大脑皮层单细胞神经元钙信号与场电位。发现在学习初期阶段，Gamma同步振荡信号与皮层记忆印迹细胞钙活动的相关性显著高于非印迹细胞，且相互时间间隔领先约0.2 s，提示其可能调节神经元放电时序，诱导记忆印迹网络形成。当记忆巩固后，发现该诱导关系消失，此时抑制LEC输入不影响记忆印迹细胞活动及小鼠行为表现（图2）。
图2. 皮层间Gamma同步振荡参与强化学习信号传播及记忆印迹网络形成的潜在机制
有别于动物依赖奖惩信号的学习模式，人脑具备理解并利用语言文字进行学习的能力。通过高密度皮层脑电（ECoG）记录发现，与符合预期的生活常见词（Real phrases）相比，阅读违反预期的伪词组（Pseudo phrases）可显著增强皮层间Gamma同步振荡信号强度；而当被试再次阅读相同伪词组时，该增强效应快速消失，表明当原本违反预期的伪词组再次呈现时，其已被快速内化为符合预期的刺激，预测误差迅速衰减（图3）。这一结果印证了Gamma同步振荡信号在预测误差处理中的跨物种保守性。
图3. 阅读非预期词组的人脑EcoG记录。a. EcoG记录实验范式。b. 不同脑区代表性γ频段脑电波形。c. 前后两轮实验中真实词组与伪词组阅读时γ频段频谱分析。d. 阅读伪词组诱发显著的脑区间γ同步增强，而该效应于第二轮实验中迅速衰减。e. 和弦图概述三个脑叶亚区间阅读伪词组时诱发的γ同步增强连接。
上海科技大学生命学院管吉松教授与上海理工大学智能科技学院谢红研究员为本文的共同通讯作者。管吉松课题组助理研究员韵迪，2023级博士研究生王政为共同第一作者。上海科技大学为第一完成单位。
沪公网安备 31011502006855号