《Hippocampus》：Differential Functional Connectivity Between Hippocampus and Prefrontal Cortex Is Associated With Heterogeneity in Open Field Exploration and Is Disrupted Following Maternal Immune Activation
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行为神经科学中一种常见范式是记录自由活动啮齿类动物在开放场觅食时的神经活动，该方法常用于空间导航研究，记录区域包括海马体（hippocampus）和内嗅皮层。通常假设此范式下行为无系统性变异，从而可在无行为变化混淆效应下检查空间表征。研究人员发现，此范式下大鼠
行为神经科学中一种常见范式是记录自由活动啮齿类动物在开放场觅食时的神经活动，该方法常用于空间导航研究，记录区域包括海马体（hippocampus）和内嗅皮层。通常假设此范式下行为无系统性变异，从而可在无行为变化混淆效应下检查空间表征。研究人员发现，此范式下大鼠行为可算法化划分为至少两种不同模式，模式转换伴随海马体θ和γ频段功率的显著差异，以及海马体与前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）间转换相关的通信，转换期信息主要从海马体流向前额叶皮层。此外，母体免疫激活（maternal immune activation, MIA）干预后，区域内功率变化保留，但海马体与前额叶皮层间通信受损。这些发现表明，开放场中动物执行的不同行为伴随脑活动与区域间通信的显著变化。
研究背景与立题依据
开放场自由觅食记录是行为神经科学常用范式，传统研究多默认动物行为无系统变异，便于单独分析海马体等区域的空间表征。然而生物在觅食时需持续决策“利用本地资源”还是“探索新区域”，这种探索（explore）-利用（exploit）行为切换及其神经机制在长期记录中常被忽略。已有研究关注前额叶、杏仁核、中脑多巴胺区，但海马体整合空间、时间、奖赏信息的能力可能支撑探索-利用的空间决策，且海马-前额叶环路在决策通信中的作用未明。同时，母体免疫激活（MIA）作为精神分裂症与孤独症风险模型，其成年后代存在海马与前额叶功能异常及记忆缺陷，而精神分裂症亦关联探索-利用行为改变，因此研究人员拟在MIA模型中检验该行为-环路耦合是否受损。论文发表于《Hippocampus》。
主要关键技术方法
研究人员重新分析Dickerson等（2010）完成的电生理数据集。样本为12只雄性Sprague–Dawley大鼠，源自独立窝次，其中6只MIA组（孕15天母鼠静脉注射Poly I:C 4.0 mg/kg）与6只对照组（赋形剂）。动物植入可移动微驱动阵列，在海马CA1裂周记录局部场电位（LFP），内侧前额叶（mPFC）深层层记录单单元与LFP。开放场为直径74 cm圆形桶，觅食巧克力粒，每日上下午各10分钟记录。行为模式通过轨迹范围（range）与速度阈值自动切分为“局部搜索（local search）”与“探索（explore）”，并以转角算法交叉验证。LFP经连续小波变换算θ（5–12 Hz）/β（13–30 Hz）/γ（25–60 Hz）功率， imaginary coherence算区际相干，WOSSPA工具箱算偏定向相干（partial directed coherence, PDC）与定向传递函数，单单元放电相位经Hilbert变换与Rayleigh/Watson U2圆统计检验，组间用重复测量双因素ANOVA与Bonferroni事后检验。
研究结果
3.1 Animal Behavior
控制组与MIA组局部搜索事件数、时长、间隔、距中心距离无差异，但MIA组探索轨迹更近中心、返回已搜区域更快（9.8 s vs 12.2 s），Scanmatch路径自相似分布偏度更低（?0.42 vs ?0.88），说明MIA动物搜索模式更刻板、空间记忆引导减弱，但模式切换节律本身保留。
3.2 Spectral Power in Hippocampus and Prefrontal Cortex Changes With Behavior and Transition Between Behavioral States
控制组海马θ功率在“搜索→探索”转换前高、转换后降；“探索→搜索”则相反；β带呈镜像。mPFC仅γ带随转换变化（搜索→探索后γ升高）。MIA组海马θ/β趋势同控制组，但转换前θ差异消失、推至转换后1–2 s才显现；mPFC θ出现微弱时间×转换交互，γ带仍保留搜索→探索后增强模式。去除速度变量改用轨迹曲率检测转换点，LFP结果不变，排除θ仅随速度变化的混淆。
3.3 Removing Speed as a Transition-Defining Variable Does Not Change Either Transition Points or LFP Power
以转角变化替代范围+速度算法，两组转换点相关系数约0.93–0.94，Hamming距离约17 s，重算频谱结论不变，证实神经状态转换不依赖速度定义。
3.4 LFP Coherence Between Hippocampus and Prefrontal Cortex Is Associated With Behavioral Transitions in Control but Not MIA Animals
控制组θ相干在“探索→搜索”转换后50–350 ms显著高于“搜索→探索”，且整体高于MIA；MIA组两种转换相干无差异且绝对水平更低，表明MIA损害海马-mPFC θ带耦合的过渡调制。
3.5 Prefrontal Single Units Phase Cluster During Transitions
mPFC单单元放电率在转换前后不变，但控制组放电相位在“探索→搜索”转换后由28°移至310°（Watson U2 p=0.029），Rayleigh检验显示θ相位锁定增强；MIA组前后相位261° vs 263°无偏移。说明MIA缺失海马θ门控前额叶神经元的时间重组。
3.6 Partial Directed Coherence Was Greater During Transition Events
控制与MIA组PDC均显示信息流以海马→前额叶为主（0.52 vs 0.33；0.45 vs 0.32）。控制组转换期双向PDC较非转换段均升；MIA组仅海马→前额叶升高，前额叶→海马不升。组间PDC绝对值无差，但MIA丢失了转换特异的双向增强与前额叶反馈增益。
讨论与结论翻译
研究人员表明，觅食中行为状态转换伴随海马θ/β功率的镜像变化（依转换方向而异）与mPFC γ功率变化；这些区内变化与mPFC神经元放电对海马θ相位锁定增强、两区θ相干突发及PDC升高（信息由海马流向前额叶）同时发生，勾勒出一条以海马为“发起者”的觅食策略决策环路。MIA动物区内功率大体保留，但海马-mPFC θ相干降低、前额叶单元相位偏移消失、双向PDC增强受损，提示空间记忆向价值信号的传递受阻，导致返回已搜区更快、路径刻板。该结果说明开放场行为具异质性且受海马-前额叶通信调控，MIA对此通信的选择性破坏或为精神分裂症探索-利用异常的环路基础。
