Current Biology | 北京脑所周景峰实验室：情境状态在眶额叶皮层中的动态与稳定编码
2024年2月15日，北京脑科学与类脑研究所周景峰实验室在Current Biology发表题为“Event-specific and persistent representations for contextual states in orbitofrontal neurons”的研究论文。通过结合复杂行为学任务和在体多通道电生理记录，该研究发现大鼠眶额叶皮层编码情境状态，虽然单个神经元编码信息的方式随着当前任务事件会发生动态改变，但是可以从这些神经元构成的群体活动空间中找到关于情境状态的低维稳定表征。
为了能够适应周围环境的各种变化，动物和人类需要持续地追踪当前的情境状态（contextual state），从而灵活地判断和使用合适的规则。例如，我们需要根据当前所处的日期安排日常活动——工作日专注于工作，在周五规划周末的出行。如果存在明显的外界信息提示，情境状态的判断就比较简单；但是当这种提示并不存在，甚至存在来自无关事件的干扰，就需要我们比较长时间的维持情境状态信息。例如，在眼前没有日历的情况下，我们在经历和处理各种事务的同时，仍然能够记得今天的日期以及与该日期相关的、需要完成的任务。大脑是如何做到的呢？
过去的研究发现，眶额叶皮层（orbitofrontal cortex, OFC）在需要这种情境状态编码的任务中很关键，尤其是当前环境中的感觉信息不足以用来区分不同的情境状态。猴子和啮齿类动物在OFC受损的情况下，学习特定任务的时候，会表现出行为缺陷，包括反转学习、延迟交替和强化物贬值等。这些行为缺陷被认为体现了动物不能够准确地区分“感觉层面相似，但是含义不同”的情境状态——例如，这些动物可能无法准确识别“反转前”和“反转后”两种不同的任务状态，从而不能像正常动物一样快速完成反转学习。那么，OFC的单个神经元是怎样判别和维持这种情境状态，以及怎样在响应低级的外部感觉信息的同时避免被这些信息干扰呢？是否存在一群特殊的神经元可以编码情境状态，不同于编码其它任务变量的神经元；或者同样的OFC神经元可以混合情境信息和其它信息，包括感觉刺激、时间和任务事件等。
为了探索这些可能性，该研究设计了新颖的大鼠行为学任务。在这个任务中，大鼠需要在每一个试次中嗅闻起着干扰作用的随机气味，完成一系列相同的动作，每完成三个试次得到糖水的奖励。就像我们记得当前工作日距离周末的天数，这些大鼠需要在有干扰气味和执行多种动作事件的环境中，长时间追踪隐藏的情境状态（hidden contextual state），从而估计距离未来奖励的时间和调整自己的行为。通过在这些大鼠的外侧OFC脑区埋置电极和电生理记录，该研究发现：情境状态和随机干扰气味在单细胞和群体细胞水平的编码是可以线性分离的；然而，单个神经元对情境状态的编码与当前进行的任务事件之间存在动态和非线性的整合——尽管如此，在这些单个神经元所构成的群体神经元活动空间内，仍然可以抽取出在时间上稳定的、不受特定事件干扰的情境状态信息。
这项研究揭示了大脑可以通过整合与分离高级的情境状态信息与低级的任务相关信息，促进灵活学习与行为。
论文信息
北京脑所博士生马凤君为本文第一作者，周景峰博士为通讯作者，其他作者包括北京脑所研究助理张凌威（现为Rockefeller University博士研究生）。本研究受到科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、北京市科技新星、以及北京脑科学与类脑研究所的资助。
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