Nat Commun | 海馬回放無(wú)需尖波波紋？最新顛覆性發(fā)現(xiàn)揭示記憶鞏固的“選擇性門控”機(jī)制

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基本信息

Title:Replay without sharp wave ripples in a spatial memory task

發(fā)表時(shí)間：2025.11.21

Journal：Nature Communications

影響因子：15.7

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研究背景

海馬回放與記憶鞏固的經(jīng)典耦合

在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，海馬體（Hippocampus）被公認(rèn)為情景記憶（Episodic Memory）和空間導(dǎo)航的核心樞紐。長(zhǎng)期以來，學(xué)界普遍接受一個(gè)強(qiáng)有力的理論：海馬尖波波紋（Sharp-Wave Ripples, SWRs）與神經(jīng)序列回放（Replay）是系統(tǒng)級(jí)記憶鞏固（Systems Consolidation）中不可分割的組成部分。

SWRs是哺乳動(dòng)物大腦中一種短暫（約100毫秒）、高頻（100-200 Hz）的局部場(chǎng)電位（LFP）振蕩，被視為記憶的“廣播塔”。在動(dòng)物休息或停止期間，海馬區(qū)會(huì)以高度壓縮的形式（速度快20倍以上）重新激活動(dòng)物最近經(jīng)歷過的路徑，即序列回放 。經(jīng)典觀點(diǎn)認(rèn)為，SWRs正是負(fù)責(zé)廣播這些序列所攜帶的情景內(nèi)容，通過誘導(dǎo)突觸可塑性，將脆弱的記憶痕跡傳遞到新皮層進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存。然而，SWRs對(duì)于序列激活而言究竟是必需條件，還是僅僅是某種選擇性標(biāo)記，這一本質(zhì)關(guān)系一直未能完全闡明。如果SWRs并非序列激活的先決條件，那么記憶系統(tǒng)可能存在一種針對(duì)顯著經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)門控機(jī)制。

研究核心總結(jié)

2025年11月21日，Widloski & Foster (2025) 團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上在線發(fā)表的這項(xiàng)前沿研究，通過結(jié)合大規(guī)模神經(jīng)元記錄和創(chuàng)新的回放檢測(cè)方法，提出了海馬記憶鞏固的功能分層模型。

Fig. 1: Replays can occur in the complete absence of ripples and bursts.

1. 序列激活與SWRs的解耦：海馬回放的“默認(rèn)模式”

研究者開發(fā)了一種獨(dú)立于SWRs和群體爆發(fā)（Burst）的貝葉斯回放檢測(cè)器，并應(yīng)用于執(zhí)行開放場(chǎng)空間記憶任務(wù)的大鼠。通過該方法，團(tuán)隊(duì)成功捕捉到一類過去可能被系統(tǒng)性忽略的序列激活事件。核心發(fā)現(xiàn)表明，即使在同一實(shí)驗(yàn)時(shí)期中存在伴隨強(qiáng)烈SWRs的回放，約 20% ± 2% 的高質(zhì)量海馬回放事件完全不伴隨尖波波紋或群體爆發(fā)。這些“無(wú)波紋回放”在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著多于隨機(jī)水平，定義了一個(gè)獨(dú)立的事件類別。同時(shí)，由于這些事件平均持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（約270 ms，最長(zhǎng)可達(dá)1秒）且表現(xiàn)出極低的Theta功率，有力排除了它們是Theta序列（Theta Sequences）的可能性。這一顛覆性結(jié)果證明SWRs并非序列激活產(chǎn)生的必需條件，為理解海馬序列檢索的默認(rèn)模式（Default Mode），即在無(wú)需系統(tǒng)級(jí)廣播時(shí)對(duì)局部地圖的維護(hù)，提供了關(guān)鍵證據(jù)。

Fig. 2: Ripples occur reliably as a function of encoded location during replay.

1. “波紋場(chǎng)”（Ripple Fields）：虛擬空間中的選擇性熱點(diǎn)

如果SWRs并非序列激活的必需品，那么它們的發(fā)生受到何種機(jī)制的約束？研究者提出了一個(gè)全新的概念：“波紋場(chǎng)”。SWRs的發(fā)生時(shí)間受到回放內(nèi)容的嚴(yán)格約束，僅在回放序列所描繪的特定虛擬空間位置上被可靠誘發(fā)，形成了離散的“波紋場(chǎng)” 。這些波紋場(chǎng)是根據(jù)回放序列中的虛擬位置定義的，具有異位編碼（Allocentric Coding）的特性，并且獨(dú)立于大鼠的實(shí)際物理位置 。波紋場(chǎng)在單個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)期（session）內(nèi)是穩(wěn)定的，并在暴露于相同環(huán)境配置的不同動(dòng)物之間表現(xiàn)出保守的空間編碼，體現(xiàn)了環(huán)境結(jié)構(gòu)對(duì)鞏固熱點(diǎn)的決定作用 。

Fig. 3: Ripple fields are replicated across tetrodes and hemispheres.

1. 目標(biāo)性廣播：新異性與不穩(wěn)定細(xì)胞的特異性標(biāo)記

波紋場(chǎng)的位置并非隨機(jī)，其預(yù)測(cè)因子揭示了SWRs的核心功能。波紋場(chǎng)的位置與大鼠在運(yùn)行期間地點(diǎn)細(xì)胞（Place Cells）的過度表征（Over-representation）高度相關(guān) 。更重要的是，波紋場(chǎng)專門與響應(yīng)環(huán)境變化（如障礙物移動(dòng)）而發(fā)生重映射（Remapping）的不穩(wěn)定細(xì)胞群（Unstable Cells）的聚集區(qū)域高度一致 。不穩(wěn)定細(xì)胞代表了對(duì)環(huán)境新異性和變化的學(xué)習(xí)。研究觀察到的群體放電與SWRs功率之間的非線性關(guān)系，進(jìn)一步支持SWRs的生成是一個(gè)內(nèi)容驅(qū)動(dòng)的選擇性門控過程，該機(jī)制將與新異性相關(guān)的過度激活轉(zhuǎn)化為波紋場(chǎng)的空間分布 。

Fig. 4: Ripple fields are similar when barrier configurations are matched across rats.

結(jié)論

綜合來看，本研究將SWRs重新定義為內(nèi)容驅(qū)動(dòng)的“選擇性標(biāo)記”。它們專門針對(duì)那些與學(xué)習(xí)或環(huán)境變化相關(guān)的、由不穩(wěn)定細(xì)胞編碼的序列子集進(jìn)行目標(biāo)性廣播（Targeted Broadcast），從而實(shí)現(xiàn)高效且選擇性的系統(tǒng)鞏固，這為闡明海馬對(duì)經(jīng)驗(yàn)信息的篩選和整合機(jī)制開辟了新途徑 。

Fig. 5: Ripple field locations are predicted by place field over-representation during run.

Abstract

Sharp-wave ripples and hippocampal replay are widely viewed as inseparable components of episodic memory consolidation, with ripples broadcasting the episodic content carried by replay sequences. Here, we show that in male rats performing an open-field spatial memory task, replay can occur in the absence of ripples. Replays with and without ripples were organized in virtual space: ripples were confined to discrete “ripple fields,” spatially restricted regions defined over the virtual locations depicted during replay and independent of the rat’s location. Ripple fields were direction-independent, stable within sessions, and adapted to environmental changes induced by barriers. Ripple fields were matched across animals exposed to the same environment, revealing a conserved spatial code. These results indicate that ripples and replay are distinct but coordinated processes, with ripples selectively tagging a subset of replays linked to learning or novelty. We propose that this coupling enables targeted broadcast of salient experiences for consolidation.

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分享人：飯哥

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部