学术报告

研究作者与发表信息

本文为一篇原创研究文章，题为“theta phase precession supports memory formation and retrieval of naturalistic experience in humans”，由Jie Zheng、Mar Yebra、Andrea G. P. Schjetnan、Kramay Patel、Chaim N. Katz、Michael Kyzar、Clayton P. Mosher、Suneil K. Kalia、Jeffrey M. Chung、Chrystal M. Reed、Taufik A. Valiante、Adam N. Mamelak、Gabriel Kreiman和Ueli Rutishauser等作者完成。他们分别隶属于Cedars-Sinai Medical Center、Harvard University、University of Toronto等多家科研机构。该研究发表于《Nature Human Behaviour》期刊，发表时间为2024年12月，在线发表时间为2024年10月3日，DOI为：https://doi.org/10.1038/s41562-024-01983-9。

研究背景、领域及目标

本研究属于认知神经科学领域，旨在探讨_theta phase precession_（θ相位前移）这一神经现象在自然连续经历的记忆编码和提取中的功能角色。episodic memory（情景记忆）在塑造个体对世界的感知以及自我认知中起关键作用，这种记忆不仅储存独立事件的片段，还能将连续事件整合为连贯丰富的记忆。然而，人类大脑如何对连续经验加以编码和提取，仍然是一个未解之谜。

已有理论提出，编码、绑定和压缩连续事件为连贯记忆的过程可能依赖于_temporal neural code_（时间神经编码）。其中，theta phase precession是一种关键机制，在这一过程中，神经元相对于θ波的起始点逐渐提前发放（相位整体前移）。虽然该现象已被广泛观察到，尤其是在空间场景或非空间任务中，但其与人类情景记忆直接的行为学关联尚未得到证实。本研究的目标是通过人类大脑中单一神经元和局部场电位（local field potentials, LFPs）的记录，验证theta phase precession在自然连续记忆形成及提取中的作用。

研究流程与方法

本研究的实验流程主要包括以下几个环节：参与者选择、实验设计、神经记录和数据分析。

1. 参与者与任务

研究对象为22名患有顽固性癫痫的患者。这些患者在编码和提取记忆任务时被植入深部电极，任务分为三个阶段： - 编码阶段：观看90段约8秒长的静音电影片段，包括”boundary clips”（包含认知边界的剪辑）和”no-boundary clips”（非边界连续剪辑）。认知边界是指在电影转换到新场景的时间点。 - 记忆测试阶段： - 场景识别测试（scene recognition）：要求参与者辨认某个画面是“旧的”（之前观看过）还是“新的”（未出现过）。 - 时间判断测试（time discrimination）：要求参与者判断屏幕上两画面中的哪一帧在时间上更早。

2. 神经记录与处理

通过Behnke-Fried电极记录位于_medial temporal lobe_（内侧颞叶, MTL，即包括海马、杏仁核和旁海马回等区域）、额叶区域（如眶额皮层、前扣带回）等大脑区域的单神经元活动与局部场电位信号。LFP信号预处理包括滤波、时间插值以及噪音剔除。

3. 数据分析与实验方法

本研究采用了创新的分析方法： - 检测“theta bouts”（短暂θ节段），并分析这些节段的频率、振幅及周期。 - 对单神经元的θ相位前移进行量化，采用 circular-linear correlation（圆形–线性相关）方法评价神经元活动相对于θ节段时间变化的相位先行程度。 - 对比试验数据和模拟数据，确保相关性的统计显著性，并研究结果的稳定性。

主要研究结果

1. θ节段与认知边界的关联

在编码阶段，研究发现MTL区域的θ节段主要出现在电影片段的认知边界之后，而电影片段的起始点并未表现出显著的θ活动。具体地，维持36.4%编码后时间窗口的θ节段显著高于其他非边界条件或片段起始（如25.2%）。

2. θ相位前移

在编码与记忆提取（两个阶段）中，均观测到了显著的θ相位前移。其中，97%的”theta phase precession neurons”（具有θ相位前移现象的神经元）在认知边界后的θ周期中以负相关关系表现出逐渐提前发放。特别是在记忆任务中，识别旧画面和正确判断顺序的试验中，其θ相位前移强度显著强于错误试验。

3. 区域与任务依赖性

在海马和杏仁核中，各任务阶段中表现出θ相位前移的神经元比例均显著高于随机期望值，而旁海马回和额叶皮层中则仅在编码阶段观察到相位前移。

4. 编码和提取的行为表现贡献

通过广义线性模型（generalized linear model, GLM）的分析显示，结合编码阶段与提取阶段的θ相位前移强度及编码阶段的神经元发放率，可以显著预测参与者的记忆表现。尤其是θ相位前移提供了发放率之外的补充信息，使记忆行为的预测能力更强。

研究结论与意义

本研究第一次直接证明了θ相位前移在自然情境下的人类情景记忆编码和提取中的功能性作用。每个神经元的相位前移强弱动态地随着任务和试验条件变化，表现出任务相关性与灵活性。这一机制证明了一种更为高效、灵活利用神经网络时空编码的方式，为理解复杂记忆系统工作机制提供了关键性见解。

科学价值上，本研究深化了对θ节段和θ相位前移如何协调单神经元活动形成连贯记忆的理解。应用价值上，揭示的机制可能为开发基于θ相位编码的记忆障碍治疗方案提供理论支持。

研究亮点

1. 首次在人类MTL中验证了θ相位前移现象与情景记忆的直接关联。
2. 创新性地引入了基于非稳态LFP信号的相位插值与分析方法，适用于具有非连续θ节段的其他物种。
3. 找出了记忆性能与神经相位解码之间的独立且互补的关系。

展望

未来研究可进一步探索θ相位前移如何与其他编码方式（如发放率编码或神经元合作）协作。并且，如何在病理状态下有效恢复这些现象，可能成为治疗认知障碍的关键领域。