海马体序列编码工作记忆与内隐时间：神经轨迹的动态 multiplexing 机制

《Cell Reports》：Hippocampal sequences represent working memory and implicit timing

本研究针对工作记忆（WM）与时间认知是否共享神经机制这一前沿问题，通过设计啮齿类动物嗅觉 differential-delayed-non-match-to-sample（dDNMS）任务，首次揭示了海马CA1区神经元序列同时编码气味信息与时间预期的 multiplexing 机制。研究人员发现，违反内隐时间预期会损害WM表现，并通过双光子钙成像技术证实CA1神经轨迹在延迟期内加速以“预测”第二气味到来。该研究为理解WM与时间认知的共享计算原理提供了重要实验证据，发表于《Cell Reports》，对认知神经科学领域具有里程碑意义。

　　

在认知神经科学领域，工作记忆（Working Memory, WM）和时间感知长期被视为独立的功能模块，但越来越多的证据表明二者可能共享类似的神经机制。传统WM理论认为，持续性的神经活动（即“持续放电”）是信息保持的核心基础，而近年研究发现，动态的神经序列（neural sequences）和斜坡活动（ramping activity）同样在WM延迟期中扮演关键角色。与此同时，时间认知研究也观察到类似的神经动态特征。这种机制上的重叠引发了一个深刻问题：WM和时间处理是否通过同一套神经回路实现“多路复用”（multiplexing）？然而，由于以往研究多采用分离的行为范式，缺乏能够同时捕捉WM与时间编码交互的实验设计，这一假设始终缺乏直接证据。

为破解这一难题，加州大学洛杉矶分校的Conor C. Dorian、Jiannis Taxidis、Dean V. Buonomano和Peyman Golshani团队在《Cell Reports》上发表了最新研究。他们设计了一种创新的嗅觉 differential-delayed-non-match-to-sample（dDNMS）任务，让小鼠学会根据第一气味（Odor A或B）预测不同的延迟时长（2.5秒或5.0秒），并在20%的试验中反转气味-延迟关联（reverse trials），以检验内隐时间学习如何影响WM。行为结果表明，当延迟时长意外延长时（如本该短延迟却出现长延迟），小鼠的WM准确率显著下降，且舔舐延迟增加，说明动物不仅记住了气味身份，还内隐学习了时间预期，而违反这一预期会损害认知表现。

研究的关键突破在于通过双光子钙成像技术，记录了 dorsal CA1 区金字塔神经元的动态活动。他们发现，针对不同气味，CA1神经元会形成特异性的序列活动，覆盖整个延迟期。这些序列不仅编码气味信息（WM内容），其形态和速度还受到时间预期的调节：在短延迟试验中，神经轨迹在接近预期第二气味出现时加速，并在延迟末期出现神经元活动的过度表征；而在反转长延迟试验中，轨迹在预期时间点未等到气味输入时仍出现“加速”波动。进一步分析显示，短延迟 cue 所引发的神经活动在时间解码和气味信息编码强度上均优于长延迟条件，表明时间预期优化了WM的神经表征效率。

主要技术方法包括：使用AAV病毒在小鼠 dorsal CA1 表达GCaMP8f/7f钙指示剂，通过双光子显微镜记录神经元活动；采用 Suite2P 进行图像配准与信号提取，并通过去卷积算法估计峰电位；利用主成分分析（PCA）重构神经轨迹，结合支持向量机（SVM）进行时间窗解码；行为数据与运动轨迹同步采集，以排除 locomotion 对神经活动的混淆影响。

研究结果

1. 啮齿类dDNMS工作记忆任务显示内隐时间的行为证据

通过比较标准试验与反转试验的表现，研究发现小鼠在反转长延迟试验中的WM准确率显著降低（80.75% vs. 86.49%），而反转短延迟试验无显著变化。舔舐延迟在两类反转试验中均增加，表明时间预期违反会普遍影响行为反应速度。

2. CA1序列活动反映气味-延迟关联的内隐学习

CA1神经元在延迟期内形成有序的序列放电，且这些序列的结构因预期延迟时长而异。短延迟序列在延迟末期（3.0–3.5秒）的神经元峰值分布显著高于长延迟序列（11.2% vs. 2.0%），说明神经资源在时间预期点被优先分配。

3. 神经轨迹在第二气味预期时加速

PCA分析显示，在标准短延迟试验中，神经轨迹在延迟末期加速并远离基线状态，仿佛在“主动预测”气味到来；而在反转长延迟试验中，轨迹在预期时间点出现速度波动，随后因气味未出现而返回基线。轨迹速度与距离的动态变化不能由运动行为解释。

4. CA1对气味和时间编码在短延迟 cue 下更强

互信息分析表明，短延迟试验在延迟末期的气味信息编码强度更高；SVM时间解码精度在短延迟条件下也显著优于长延迟，验证了时间预期对WM编码的增强作用。

结论与意义

本研究首次在行为-神经联合层面证明，海马CA1序列活动是WM与内隐时间共享的编码机制。其重要意义在于：

1. 1.
   挑战WM的“固定持久性”假说：神经序列的自然终点为WM的“定时过期”（expiration）提供了机制解释，说明WM持续时间可被任务结构动态调节。
2. 2.
   揭示时间认知的泛化神经基础：序列机制在多种脑区（如皮层、纹状体）中被报道，本研究将其与WM-时间 multiplexing 直接关联，支持“神经序列作为时间信息读取最优载体”的计算理论。
3. 3.
   为认知疾病提供新视角：WM与时间处理障碍常见于精神分裂症、ADHD等疾病，二者共享机制的发现为病理研究提供了新靶点。

局限方面，CA1可能并非序列生成源区，其上游脑区（如CA3、内嗅皮层）的作用仍需通过因果操纵实验验证；钙成像的时间分辨率也限制了振荡机制的分析。未来研究可结合光遗传干预与电生理记录，进一步揭示WM-时间 multiplexing 的完整环路机制。