目标导向空间记忆中海马Gamma节律实现精准序列编码的神经机制研究

Goal-directed spatial memory is a fundamental neural function of episodic memory encoding, retrieval and consolidation, which is a hot topic in cognitive neuroscience. In this project, we design a spatial location goal-directed learning and memory task, and record in vivo local field potentials and spiking activities from place cells in hippocampus during behavior task. By applying multiple methods of neural signal processing, we decode firing sequences from place cell ensembles, and investigate how sequences of locations are represented during distinct slow and fast gamma subtypes during learning and memory. We aim to reveal the mechanism of slow and fast gamma rhythms precisely coding firing sequences from place cell ensembles in spatial memory process and improvement of goal prediction. In addition, the role of sharp wave ripples-related-gamma rhythms is determined in forward and reverse replay events. Accordingly, we establish novel models of memory encoding, retrieval and replay during slow and fast gamma rhythms. This important study provides scientific evidence for decoding the brain functions of precise prediction and decision making in goal-directed spatial memory.

目标导向空间记忆功能是实现复杂陈述性记忆编码、提取与巩固已有认知的基础性神经机制，是目前认知神经科学中亟待研究的前沿热点课题。为了探究目标导向空间记忆功能中神经集群的精确编码机制，本课题设计以特定空间位置为目标导向的大鼠学习与记忆实验，应用多通道在体神经电生理采集技术记录海马局部场电位和位置细胞放电活动，结合多种神经信号解码和神经节律分析方法，精确解码位置细胞集群序列性放电活动规律，解读慢Gamma和快Gamma神经节律实现精准空间学习与记忆功能及随认知学习进程对不断优化目标预测的神经元集群序列编码机制，探索静息状态下Sharp wave ripples相关的Gamma神经节律在针对未来目标位置的记忆前向和反向回放中所发挥的功能，建立记忆编码、提取与记忆回放功能下的Gamma神经编码模型。本课题的开展为解读大脑如何实现对目标导向空间记忆的精确预测与决策判断提供重要的基本科学依据。

目标导向空间记忆功能是实现复杂陈述性记忆编码、提取与巩固已有认知的基础性神经机制，是当前认知神经科学中亟待研究的重要问题。为了探究目标导向空间记忆功能中神经集群和神经节律的精确编码机制，本课题设计了以延迟匹配的空间位置为目标导向的大鼠记忆实验，应用多通道在体神经电生理采集技术记录海马局部场电位和位置细胞放电活动，结合多种神经信号解码和神经节律分析方法，精确解码位置细胞集群序列性放电活动规律，分析慢和快gamma神经节律实现精准空间学习与记忆功能及随认知学习进程对不断优化目标预测的神经元集群序列编码机制，探索学习期间静息状态下sharp wave ripples相关的replay事件在针对未来目标位置的预测中所发挥的功能。本课题的开展为解读大脑如何实现对目标导向空间记忆的精确预测与决策判断提供重要的基本科学依据。受本项目支持，共发表或接收同行评议论文8篇，正在修稿1篇，其中以第一作者或通讯作者发表论文7篇，包括顶级期刊《Nature Communications》和《Cerebral Cortex》，以及神经科学领域重要期刊《Frontiers in Neuroscience》，《Progress in Biochemistry and Biophysics》，《Acta Physiologica Sinica》，《Neuromolecular Medicine》和《Journal of Sleep Research》等。成功申请到国家自然科学基金面上项目1项、科技部重点研发课题级项目1项，省部级自然科学基金面上项目1项和重点项目1项，军工项目1项，总经费超过500万元；2019年获得中国工程院授予的“中国工程前沿杰出青年学者”称号，2020年获批天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才，现任天津脑科学与类脑研究中心副主任和天津市脑科学与神经工程重点实验室常务副主任。申请人现担任《生物医学工程学杂志》编委，及《Cognitive Neurodynamics》、《Frontiers in Behavioral Neuroscience》等多个领域内重要期刊的审稿人，先后受邀于美国圣地亚哥和清华大学做学术报告，掌握国内外相关研究的最新动态，与多个国际性研究团体建立紧密的联系，有利于更好的开展本项目工作。