Orienting memories during wake and sleep

2026年5月29日上午，北京脑科学与类脑研究所邀请加拿大麦吉尔大学（McGill University, Canada）Adrien Peyrache教授开展了一场题为“Orienting memories during wake and sleep”的学术报告。报告由吉妮研究员主持。

Dr. Adrien Peyrache

Associate Professor at McGill University, Canada

Dr. Peyrache教授于2008年获法国图卢兹第三大学神经科学博士学位，研究海马空间表征的神经元动力学。2009–2013年在美国罗格斯大学 György Buzsáki 实验室从事博士后研究，聚焦睡眠期间记忆巩固的神经机制。2013–2016年获伦敦大学学院（UCL）惠康基金会研究员职位，独立开展海马-前额叶环路研究。2016年加入麦吉尔大学神经学研究所，建立实验室，并兼任魁北克人工智能研究所（Mila）成员。

Dr. Peyrache首先介绍了他的研究背景。长期以来，海马体被认为是记忆形成的核心脑区。传统的记忆双系统记忆理论认为海马存储短期记忆，而这些信息会逐渐转移至皮层，形成长期记忆。这一记忆巩固的过程被认为和睡眠，尤其是非快速眼动睡眠(non-rapid eye movement sleep，NREM)密切相关。在啮齿类的海马的电生理实验记录表明，在NREM睡眠期间，海马发生重回放(replay)现象，会重新激活时间压缩的海马位置细胞活动序列。海马重放现象常伴随尖波涟漪(sharp-wave ripple, SWR)，被认为是海马向皮层传递信息完成记忆巩固的机制。

Peyrache课题组提出一个关键问题，由于海马编码的空间表征和皮层编码的感觉表征会不断的漂移，两个复杂的环路系统能够进行交流理论上非常困难，因此这两个系统可能需要相同的简单信号来传递信息。针对这个开放式问题，Peyrache课题组关注了头部朝向(Head Direction, HD)环路。头部朝向系统 (Taube, 2007)与经典的Papez环路高度重合，由三个部分组成：后下托(Postsubiculum, PoSub）、前丘脑(Anterodorsal Thalamic Nucleu, ADN)以及外侧乳头核(Lateral Mammaliary Nucleus, LMN) 三个组成部分，其中LMN接收前庭系统和脑干的角速度信号输入，生成头部方向信息，ADN被认为是信息传递的中继站，拥有极强的HD细胞。PoSub属于海马旁系统，与海马结构紧密关联，被认为能够提供地标校正作用。这条环路提供了一条海马与丘脑，下丘脑与新皮层形成闭环通信的解剖学框架。Peyrache课题组于是从这条环路展开，研究海马和皮层相互作用在导航和睡眠记忆巩固中的作用。

借助硅探针大规模神经记录技术，Peyrache课题组记录了动物清醒和睡眠期间的自由移动PoSub头部方向细胞的群体活动。在清醒状态下，不同方向调谐的头部方向细胞依次发放，紧密追踪当前的头部朝向，并且其神经元群体活动在低维子空间上的投射形成一个一维环状流形。有趣的是，在REM睡眠期间，HD细胞群体活动也呈现与清醒时类似的序列发放，并且保持稳定的一维环状流形表征，说明在缺乏直接感觉输入的条件下头部朝向系统仍然维持内部协同活动。在NREM睡眠期间，观察到的HD细胞群体发放则成随机簇状发放，序列发放现象不再，但是仍然保持每一时刻只有同一个方向调制的神经元亚群发放的特性。

针对这一现象，Peyrache课题组团队进一步探究这种稳定的表征是否会随时间改变。他们记录了动物在不同环境中的HD细胞随时间的变化。结果发现动物会在进入新环境中的极短的时间范围内根据地标锚定其头部方向系统。而这种表征（超过四周）长时间维持稳定。他们还进行了一个实验，在第一周将动物放置于两个环境中学习，在第二周将动物始终放置于其中一个环境中训练，最后一周比较其在两个环境中头部方向系统的编码，结果发现不同方向调谐的细胞在两个环境中的编码，在第一周和最后一周完全一致。Dr. Peyrache指出，动物可能在进入全新的环境中会非常迅速的建立外部感觉信息与内部方向系统之间的锚定关系，这个过程非常快，并且方向记忆可以维持数周至更长时间。因此，头部方向系统的编码保持高度保守，但是能够编码环境特异信息。

小鼠在新环境中经历最小暴露时间后长期保持方向感(Skromne Carrasco et al., Nature, 2026)

接下来，Dr.Peyache讨论了视觉地标信息如何影响头朝向系统。利用功能性超声(functional ultrasound, fUS)功能成像技术，课题组对头部固定的小鼠进行视觉图像刺激和脑神经成像。结果表明尽管所有视觉刺激都激活经典视觉系统，视觉地标会特异性地激活头朝向系统，尤其是Posub。随后课题组对自由活动的小鼠的Posub头朝向细胞活动进行记录，确定每个头部朝向细胞的发放偏好，随后用视觉物体刺激，结果发现对视觉物体正向反应的头部朝向细胞的方向调谐接近。这些结果表明视觉地标会增加与该视觉物体方向一致的HD细胞的放电率，但会降低编码其他方向的HD细胞的活动。

视觉刺激根据优先放电方向的不同，对 HD 细胞进行差异性调节(Siegenthaler et al., Science, 2025)

Dr. Peyrache在最后部分介绍了课题组对于睡眠状态下头部方向系统的神经表征的研究。在睡眠期间，自发的头部方向信号与动物头部运动方向去耦合。利用硅探针同时记录ADN和LMN中的神经元活动，课题组发现NREM睡眠期间，头部方向的表征在下丘脑而不是乳头体保持高度组织性。这种组织性能够使用PCA等降维技术从神经群体活动的低维流形中体现。接下来，通过光遗传操作阻断来自皮层的反馈（尤其是PSB的输入），LMN群体活动的相干性被破坏，相反，PSB沉默不影响AND群体的内部相干性，说明LMN在NREM睡眠期间的活动依赖于皮层反馈，而AND能够独立的稳定头朝向信号。这些结果暗示丘脑在NREM睡眠期间可能作为独立网格生成头部方向信号。

AND-HD细胞在皮层静默状态下保持耦合的群体活动(Viejo et al., bioRxiv, 2026)

随后，Dr.Peyrache简单讨论了这种睡眠期间虚拟的头部方向信号是否支持海马重发放，进而可能参与记忆巩固。课题组发现睡眠期间的丘脑自发头部发放信号与海马中重发放的标志活动尖波涟漪有着时序相关性。AND的头朝向细胞群体在高增益和低增益状态之间切换，高增益状态可能导致海马SWR中产生，Dr. Peyrache据此提出查询-训练假说(query-training hypothesis)，认为丘脑可能在NREM睡眠期间独立生成头部方向“查询”，驱动海马和皮层的重放，后者重放的空间轨迹又能够解码出方向信息，这个方向信息能够与“查询”比较，从而优化大脑对于空间记忆的内部模型，促进长期空间记忆的形成。

查询训练假说(Peyrache, Curr Op in Neurobiol, 2022)

报告的最后，听众对报告内容展开了深入友好的讨论。提出的问题包括不同丘脑区域对于下托后区的信息输入的贡献，头部方向细胞如何锚定不同环境的细节，关于丘脑是否可能存储记忆支持重发放等等，Dr. Peyrache对各个问题一一作答。

撰稿人：苏则茜