延迟期光遗传抑制内侧隔区GABA能神经元降低海马θ振荡并诱发时间细胞部分重映射而不损害空间交替工作记忆

《Cell Reports》：Optogenetic reduction of theta oscillations induces remapping of time cells without memory impairment

　　

在延迟交替空间工作记忆任务中，海马时间细胞（time cells）在延迟期的特定时刻放电，形成整个延迟间期的序列表征。这些序列与工作记忆（working memory）之间的因果关系仍不清楚。类似地，海马θ振荡（hippocampal theta oscillations，6–10 Hz）被认为支持工作记忆，主要通过产生时间细胞序列。为因果检验这些关系，研究人员在延迟空间交替任务的延迟部分光遗传学沉默（optogenetic silencing）内侧隔区（medial septum, MS）的GABA能（GABAergic）θ产生环路。随着海马θ振荡显著降低，许多时间细胞表现出重映射（remapping），并招募新的时间细胞。尽管时间细胞序列发生部分重映射，行为表现保持完整，轨迹特异性编码（trajectory-specific coding）也得以保留，提示在θ扰动下任务相关信息仍然可用。

研究背景与问题：情景记忆需要表征事件发生的时间与地点。海马时间细胞在延迟期特定时刻放电并形成时间细胞序列，被认为可能维持工作记忆内容。但其与工作记忆的因果关系仍不明确：既有研究显示时间细胞序列保真度与记忆表现相关，也有研究发现无记忆需求任务可出现序列、内侧内嗅皮层（medial entorhinal cortex, MEC）输入消融可在记忆受损时保留序列，而直接即刻光遗传扰动内嗅-海马环路可同时破坏时间细胞活动与记忆。作者认为矛盾可能与方法有关：损伤研究允许代偿，直接海马扰动影响广泛。计算模型提示海马θ振荡（6–10 Hz）可通过节律性持续放电、振荡干涉及θ节律抑制推进网络活动以生成时间细胞序列；既往用muscimol沉默MS虽降低θ、破坏时间细胞并损害记忆，但抑制全部MS细胞类型且贯穿整个测试，无法将延迟期θ与时间细胞扰动直接归因于记忆损害。因此，作者开展选择性、延迟期限定的MS GABA能神经元光遗传抑制研究。研究发现，θ显著降低时时间细胞部分重映射并招募新细胞，但行为表现完整、轨迹依赖编码保留。其意义在于提示稳定覆盖整个延迟的单一CA1时间细胞序列并非该任务表现的唯一基础，保留任务相关可辨别信息可在θ降低时支持行为。

关键技术与方法（≤250字）：研究使用雄性VGAT-ires-Cre小鼠（Jackson Laboratory，stock #01692），8–12周龄行病毒注射；随后植入光纤及可独立移动四极管微驱动，记录背侧CA1（dorsal CA1）锥体细胞层局部场电位（local field potential, LFP）和单单位。动物训练于延迟T迷宫交替任务，在延迟区以21.67 cm/s跑台运行10 s。达到80%正确标准后，在随机50%试次延迟期以闭环光遗传抑制MS GABA能神经元。采用多锥度谱估计θ功率，以Morlet小波计算瞬时θ功率，并用时间信息、分半可靠性、群体相关及最大似然解码分析时间细胞和轨迹编码。

研究结果：
（1）θ振荡在时间和空间特异性上显著降低。通过ArchT与YFP对照、dorsal CA1 LFP记录及延迟期闭环激光，发现ArchT组激光试次θ功率较基线显著降低，YFP对照不受影响；θ降低在激光开启后出现并于延迟期持续，激光关闭后恢复；位置分析显示θ抑制主要发生于跑台奔跑时，跑台外或等待时不明显。结论：MS GABA能抑制可时空特异性地控制θ功率。
（2）光遗传θ降低期间时间细胞部分重映射而行为完整。通过比较激光开启与关闭条件的率图稳定性、群体序列相关、峰值位置概率及细胞 turnover，发现ArchT组时间细胞比例与YFP相似，但跨条件率图稳定性降低、序列去相关加快、峰值位置更分散，部分细胞仅在单一条件被鉴定为时间细胞；行为正确率在基线与激光条件间无显著差异，且与θ降低幅度不相关，而重映射幅度与θ降低相关。结论：θ降低导致时间细胞部分重映射和新序列出现，却未损害行为。
（3）部分重映射序列出现时时间编码得以保留。通过分半可靠性、逐试次序列相似性、主成分分析轨迹和最大似然解码延迟时间，发现ArchT组同一激光条件内可靠性相似且高于跨条件可靠性，逐试次序列相似性呈条件间分离模式；各条件内延迟时间解码误差相近，而跨条件训练-测试时误差增大，YFP无此现象。结论：θ降低时出现部分不同但同样准确的时间序列。
（4）时间细胞部分重映射下轨迹依赖编码持续存在。通过差异指数、左右神经轨迹欧氏距离、轨迹依赖细胞鉴定和选择解码，发现左右率图差异及群体轨迹分离在激光条件间维持；ArchT组轨迹依赖细胞比例与YFP及激光条件无差异，且多集中于延迟初段；轨迹依赖细胞跨条件率图相关高于非依赖细胞；选择解码中轨迹依赖细胞高于机会水平且跨条件稳定，非依赖细胞保持机会水平。结论：尽管单细胞序列部分重映射，任务相关轨迹信息在群体水平仍保留。

讨论与结论：作者总结，延迟期限定、细胞类型选择性地抑制MS GABA能神经元可显著降低θ并部分重组CA1时间细胞序列，却不损害延迟空间交替任务表现；保留的轨迹依赖编码可能部分贡献完整行为。作者提出，θ有助于跨试次一致地读出单一序列；当感觉信息不再重要时，序列后段表达依赖内部θ依赖过程，缺乏该过程时原序列检索失败并由新序列替代。新序列可能源于CA1接收的CA3与MEC时间信息整合改变，CA3因其复发自联想连接成为候选，尚需未来验证MS失活是否破坏MEC时间细胞。作者还指出，稳定覆盖延迟的CA1时间细胞序列不是该任务表现唯一基础，其他策略或环路机制仍待识别。局限包括仅研究dorsal CA1、观察到部分重映射而非完全破坏、固定跑台速度和固定延迟使时间与距离混淆、错误试次少而无法可靠分析。

研究结论部分翻译：尽管θ振荡对维持稳定的时间细胞序列至关重要，研究人员的发现表明，任务相关差异（如左右轨迹可辨别性）可在部分重映射下得以保留。这提示海马活动的下游读取可能依赖保留的可辨别性，而非特定序列的稳定性。研究人员的发现进一步显示，选择性扰动内侧隔区GABA能神经元可降低θ振荡并使时间细胞部分重映射，同时保留轨迹特异性编码且不损害行为表现。