突触与电突触双模式协同塑造记忆印迹：基于细胞自动机模型的机制研究

本研究针对记忆编码过程中神经元选择机制这一核心问题，通过细胞自动机模型揭示了电突触传导（ephaptic conduction）在记忆印迹（engram）形成中的关键作用。研究人员发现电突触模式通过产生重复激活的神经元亚群（sub-engrams），而突触模式通过修剪小型亚群并重塑大型亚群，共同完成记忆印迹的最终构建。该研究为理解记忆编码的双模式协同机制提供了全新理论框架，发表于《BMC Biology》。

　　

记忆是如何在大脑中形成并保存的？这个困扰神经科学界一个多世纪的难题，其核心在于理解记忆印迹（engram）——记忆的物理载体——的形成机制。传统理论认为突触可塑性（如长时程增强LTP）是记忆编码的基础，但越来越多的证据表明，仅靠突触机制无法完全解释记忆印迹神经元的选择性激活和快速形成过程。特别是在高频神经振荡（如尖波涟漪波）期间，神经元如何被"招募"到特定记忆印迹中，仍是一个未解之谜。

研究人员通过创新的细胞自动机模型，首次揭示了电突触传导与突触传导的双模式协同机制。该模型将神经元分为突触主导型和电突触主导型两种状态，通过参数b（神经元接受电突触信号的能力CNEC）控制模式转换。研究发现当CNEC增强（b<2.5）时，电突触模式会主导形成重复激活的神经元亚群（sub-engrams），而突触模式则通过"修剪"小型亚群和"塑形"大型亚群，最终形成稳定的记忆印迹。

研究采用了几个关键技术方法：1）基于Maxwell方程的准静态电场模型计算神经元间电突触耦合强度；2）设置延迟参数d模拟电突触传导速度差异；3）通过矩阵模拟（20×20至50×50）不同脑区神经元密度；4）分析亚群振荡周期（8时间单位TU）与实验观测的神经振荡对应关系。

Ephaptic模式诱导亚印迹形成
纯电突触模式下，高活性脑区会产生周期性重复激活的神经元集群（周期8 TU）。这些"闪烁体"（blinkers）的形成依赖于局部电场叠加（∑A_i≥b），且规模与初始活性正相关。

突触模式的塑形作用
双模式运行时，突触通过两种方式塑造亚印迹：1）清除小于4个神经元的亚群（图5）；2）扩大并圆整较大亚群（图6）。这种塑形作用解释了实验中观察到的印迹稀疏分布特性。

模式转换的快速性
CNEC改变后，电突触主导的转换可在100毫秒内完成（图3），这与记忆编码的生理时间尺度一致。这种快速转换可能由高频振荡或细胞外基质（ECS）电阻变化介导。

最终印迹特征
成型后的记忆印迹（图7）呈现局部化、周期性激活特征，各亚组件间存在180°相位差的同步振荡。这种结构既保证了信息存储的稳定性，又为记忆检索提供了时间编码基础。

这项研究开创性地提出了记忆编码的双阶段模型：电突触模式负责神经元选择与亚印迹生成，突触模式负责印迹优化与巩固。该理论不仅解释了CREB蛋白等分子在记忆分配（memory allocation）中的作用，还为癫痫发作与记忆形成的相似性提供了机制解释（均涉及电突触模式主导）。研究建议未来重点关注：1）ECS电阻变化的实验验证；2）电突触耦合与突触可塑性的交互机制；3）亚印迹向皮层转移的跨模式传导过程。这些发现为开发针对记忆障碍的干预策略提供了全新靶点。