撰稿 | AiBrain 内容团队 严贵忠
排版 | AiBrain 编辑团队
行为经验会重塑动物海马神经元的活动，这种经验相关的神经元活动改变在位置奖赏的学习过程中非常重要。根据经典的赫布理论，认为这种学习相关的神经元活动改变是由突触可塑性调节的。
来自美国贝勒医学院的研究团队，为了验证这种通过学习改变海马神经元活动的生理过程。借助双光子Ca2+成像技术，在执行空间学习任务的小鼠上记录海马CA1背侧锥体细胞的神经活动，发现依赖于环境中的信号的內嗅皮层第3层神经元活动模式，通过一种新型的突触可塑性机制—行为时间尺度突触可塑性（BTSP）—指导了CA1锥体细胞的空间活动模式。研究结果发表在了近期的Nature杂志上。
研究人员将小鼠固定在线性跑步机上，首先将奖赏位置随机分布在皮带上，发现小鼠的舔舐率和运动速度没有特征性，记录的CA1位置细胞活动没有明显变化。而将奖赏位置固定并与感觉信号关联后训练小鼠，发现小鼠根据奖赏位置改变它们的运动速率，并且在接近奖赏位置时激活的CA1位置细胞数量增加了两倍多。表明在学习的过程中，增加的位置细胞密度改变了CA1的表征，这与接近奖赏位置时降低速度的行为密切相关。
图1 海马CA1神经细胞表征的改变与学习行为有关
BTSP参与了学习过程中CA1表征的调节。BTSP由持续长时间的树突Ca2+电位信号驱动而诱导突触的可塑性。小鼠在跑步机上根据奖赏位置改变速度的行为影响了CA1位置细胞的数量和活动度，可能是BTSP调节的；因为这种突触可塑性作用在突触可塑性拮抗剂D-AP5或Ca通道阻断剂SNX-482作用后被抑制。
图2 BTSP机制是CA1学习依赖性表征改变的基础
生理状态下，EC3向海马CA1的树突尖端投射形成突触连接，通过NMDA和AMPA受体改变突触输入的强度。干扰EC3向CA1的投射是否会影响行为对CA1可塑性的改变呢？借助逆行示踪和光遗传学的方法，抑制EC3神经细胞后，小鼠在奖赏位置不会引起CA1位置细胞数量或活动的改变。
EC3似乎是CA1学习相关表征改变所必需的，接下来对EC3神经细胞的活动模式进行研究。小鼠在跑步机上接近奖赏位置时，双光子成像捕获的EC3在CA1区投射轴突的Ca2+活动明显增加。
图3 EC3是CA1发生学习依赖性表征改变所必需的
为了研究EC3活动模式的改变对突触后CA1锥体细胞的影响，引入了计算模型。将单个EC3轴突的活动建模为简单的双态马尔科夫链。先使用稳定的速度模拟时，EC3对突触后CA1的输入呈均匀水平；当用小鼠实际的运动速度模拟时，在奖励位置时使用了近2倍的时间，而CA1神经元的活动增加了也近2倍。但是，实际情况下小鼠在奖励位置时CA1神经细胞的增加比模型预测的更高，这是因为在奖赏位置时，EC3神经细胞的调节和稳定能力有所提高。
环境中的感觉信号似乎通过影响EC3神经细胞活动的空间分布，最终驱动了CA1的可塑性。用一种视觉刺激作为奖赏信号时，小鼠的舔舐行为只有细微的变化，而部分EC3轴突的活动增加了近4倍，而CA1位置细胞的活动分布也发生了与先前信号下不同的变化。表明EC3神经细胞的活动模式与环境中信息的分布有关，新的信号刺激明显的改变了EC3神经细胞活动的空间模式，并且CA1可塑性相应地做出了反应以产生独特的空间活动。
综上所述，研究人员认为EC3的活动作为一种指示信号通过BTSP机制，驱动了CA1细胞群的活动变化。这种发出指示信号的EC3活动模式又与环境中信号的改变相一致，但需要进一步的研究来确定EC3神经元是如何产生环境特异性指示信号的。
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