海马体空间表征和情境表征对任务结构的适应性调整

《SCIENCE ADVANCES》：Adaptation of hippocampal spatial and contextual representations to task structure

本研究通过虚拟现实中的目标导向go/no-go任务，利用双光子钙成像技术监测小鼠海马CA1区锥形神经元（CA1PNs）活动，发现其编码具有动态层次性：学习初期先形成空间位置编码，随后整合非空间环境特征形成语境编码。任务条件切换（如走廊图案变化）导致CA1PNs快速且广泛的重构，即使未改变的走廊也发生显著变化；而奖励反转引起的重构更为渐进。这些结果揭示CA1PNs通过空间-语境联合编码实现任务适应，支持层次化任务表征理论。

脑内海马体在空间和情境记忆中扮演着至关重要的角色，而CA1锥体神经元（CA1PNs）在导航过程中展现出特定的空间活动模式。然而，关于这些神经元如何在学习过程中根据情境变化进行调整，以及在情境转换时如何重新组织其活动，目前仍存在许多未解之谜。本文通过研究小鼠在虚拟环境中的行为与神经活动，揭示了CA1PNs在学习复杂任务时如何逐步形成空间和情境相关的神经编码，并探讨了情境转换对这些编码的影响。

在实验中，研究者设计了一种虚拟的“去留”任务，要求小鼠在两个视觉上不同的走廊中根据颜色或图案进行选择。这种任务结合了空间导航和非空间环境特征的学习，从而为研究海马体在学习过程中如何整合这些信息提供了独特的模型。实验中，小鼠被训练在虚拟现实环境中导航，并通过头部固定的方式，使用双光子（2P）钙成像技术实时监测其CA1PNs的活动情况。通过这种技术，研究者能够记录大量锥体神经元的钙信号变化，从而分析其在不同任务条件下的活动模式。

实验结果显示，在学习初期，CA1PNs的活动主要集中在空间位置的编码上，例如走廊的起点和奖励区（RZ）。然而，随着学习的深入，这些神经元逐渐表现出对情境特征（如走廊类型）的选择性活动。这种转变表明，海马体在学习过程中首先形成对空间位置的广泛编码，然后随着经验的积累，逐步引入更多与任务规则相关的情境信息。在任务转换时，比如从颜色任务转换为图案任务，CA1PNs的活动迅速且广泛地重新组织，这种变化不仅发生在新的奖励走廊中，还发生在未改变的走廊中，说明情境信息对整个任务的编码具有深远影响。

相比之下，当任务规则在相同环境中发生变化时（例如奖励逆转），神经元的活动变化则更加渐进。这种变化与任务转换不同，因为奖励逆转并未改变环境的视觉特征，而是改变了奖励的分布。在奖励逆转后，小鼠的行为适应需要更长的时间，这表明海马体在处理非空间情境信息时，需要更多的经验来调整其编码策略。同时，CA1PNs的活动模式也发生了显著变化，表明情境信息的重新组织是逐步发生的，而不是突然的。

研究还发现，CA1PNs在不同任务条件下的活动模式具有一定的可塑性。在任务转换过程中，某些神经元的活动从单纯的空间编码转变为同时编码空间位置和情境特征。这种转变可能涉及复杂的神经可塑性机制，例如神经元之间的连接变化、活动模式的重新组织以及对任务规则的适应。此外，任务转换后的神经元活动变化与行为表现的变化紧密相关，这表明海马体的编码不仅影响行为，还与任务规则的调整密切相关。

值得注意的是，虽然任务转换和奖励逆转都导致了CA1PNs的活动变化，但它们的动态过程有所不同。任务转换通常导致更快速且广泛的神经活动重新组织，而奖励逆转则表现出更缓慢的变化。这种差异可能反映了海马体在处理不同类型的环境变化时，所采用的不同策略。例如，任务转换可能涉及对整个任务结构的重新评估，而奖励逆转则更关注于对已有任务规则的调整。

此外，研究还探讨了CA1PNs在任务转换后是否能够恢复到之前的编码模式。结果表明，当小鼠再次经历相同的任务条件时，其神经元活动能够部分恢复，但也会受到任务转换的影响，显示出一定的灵活性和适应性。这提示我们，海马体的编码模式并非固定不变，而是在不断学习和适应中动态调整的。

研究还涉及了对CA1PNs活动模式的统计分析，包括空间可靠性和情境选择性等指标。这些指标的变化揭示了神经元在不同任务条件下的编码特性的演变。例如，在任务转换前后，空间可靠性和情境选择性均发生了显著变化，这表明海马体在学习过程中不断优化其对环境特征的编码策略。

总之，这项研究为理解海马体如何在学习过程中整合空间和情境信息提供了重要的见解。研究发现，CA1PNs在学习初期主要编码空间位置，但随着经验的积累，它们逐渐形成与任务规则相关的编码，这有助于动物适应不同的任务条件。同时，任务转换和奖励逆转对这些编码的影响也显示出不同的动态特征，提示我们海马体的编码机制具有高度的灵活性和可塑性。这些发现不仅加深了我们对海马体功能的理解，也为未来研究情境学习和任务适应的神经机制提供了新的视角。