海马时间细胞序列在延迟间隔期间不依赖脑状态且不支持依赖海马的工作记忆

研究人员针对工作记忆(WM)维持过程中海马时间细胞(time cells)与θ振荡(theta oscillations)的依赖关系这一关键问题，通过控制大鼠在10秒和30秒延迟间隔期间的跑步/静止状态，系统研究了不同θ振荡持续性条件下海马CA1区神经元活动模式。研究发现可靠的时间细胞仅出现在延迟间隔的前几秒，随后出现组成型激活细胞群，两者均与记忆无关。该研究揭示了海马序列活动模式的短暂性特征，对理解工作记忆维持的神经机制具有重要意义。

　　

记忆是如何在大脑中形成和维持的？这个困扰神经科学界多年的问题，在关于工作记忆(WM)神经机制的研究中显得尤为突出。海马体(hippocampus)作为记忆形成的关键脑区，其神经元在延迟任务中表现出的时间细胞(time cells)序列活动被认为可能是工作记忆的神经基础。然而，这些时间细胞序列是否依赖于持续性的θ振荡(theta oscillations)，以及它们是否真正支持工作记忆功能，长期以来存在争议。

美国加州大学圣地亚哥分校的研究团队在《Nature Communications》发表的重要研究，通过精巧的实验设计揭开了这一谜题。研究人员训练大鼠执行空间延迟交替任务，创新性地采用跑步机控制手段，在10秒和30秒的延迟间隔期间分别设置"跑步机开启"(强制跑步)和"跑步机关闭"(允许休息)两种状态，成功实现了对θ振荡持续性的精确调控。同时运用多通道电极记录技术，对海马CA1区377个锥体神经元的活动进行系统监测，结合局部场电位(LFP)分析和细胞组装(assembly)检测等先进方法，全面解析了不同θ振荡条件下神经元活动模式与工作记忆表现的关系。

研究采用了多项关键技术：1)行为学范式设计，通过跑步机控制实现θ振荡的持续性调节；2)在体多通道电生理记录技术，同步采集单细胞活动和局部场电位；3)时间细胞鉴定方法，基于150ms时间窗的稳定性分析；4)独立成分分析(ICA)用于检测细胞组装；5)轨迹选择性分析评估记忆相关信息编码。

行为状态决定θ振荡持续性

研究发现跑步状态显著延长θ振荡持续时间(treadmill-on vs off：初始θ发作时间5.28±0.45s vs 2.86±0.28s)，但不同条件下的任务准确率无显著差异(87.2%±2.70 vs 93.1%±1.76)，表明θ振荡持续性不影响工作记忆表现。

延迟区域CA1细胞活动特征

无论θ振荡状态如何，约32-35%的CA1细胞在延迟区域活跃。这些细胞表现出两种活动模式：在迷宫其他区域也活跃的"通用型"和主要在延迟区域活跃的"特异型"。

时间细胞的两阶段活动模式

通过稳定性分析鉴定的时间细胞显示：1)时间受限细胞(time-limited cells)主要在前5秒活跃(占84.9-100%)；2)持续活跃细胞(persistently active cells)在约5秒后激活并维持到延迟结束。两种细胞的活动模式在10秒和30秒延迟中高度相似(r2=0.61-0.68)。

θ振荡不影响时间细胞特性

尽管θ功率存在显著差异(z-scored theta power：0.53±0.06 vs -0.05±0.07)，但时间细胞稳定性(time field stability)和峰值时间分布在treadmill-on/off条件下无差异(p=0.66-0.70)。

记忆相关信息编码分析

单细胞和细胞组装分析显示：1)延迟期间的活动不编码转向信息；2)在跑步机关闭条件下，干细胞区域的细胞组装活动能预测转向选择；3)奖励区域的群体事件活动表现出显著的转向选择性(p<2.3×10^-308)。

这项研究得出了三个重要结论：首先，海马时间细胞序列是短暂存在的，主要局限在延迟期的前几秒，随后转变为持续活动模式，这种特性不受θ振荡持续性的影响；其次，延迟期间的海马神经元活动不编码工作记忆相关信息，挑战了海马时间细胞直接支持工作记忆的主流观点；最后，研究揭示了工作记忆维持可能需要其他脑区或神经机制的参与，特别是对于超过5秒的延迟间隔。这些发现为理解工作记忆的神经基础提供了重要修正，提示需要重新审视海马在时间信息编码和工作记忆中的作用机制。研究采用的创新性行为范式和多层次神经活动分析方法，为后续记忆研究提供了重要技术参考。