海馬體對時間表徵的可伸縮性

時間二分任務中CA1神經元的可伸縮性時間表徵。

（A）任務示意圖（任務1）。大鼠在跑步機上進行長短時間間隔的奔跑，隨後需要選擇分別對應著長時間或短時間的左臂或右臂，選對最終會獲得水獎賞。實驗第1種條件和第3種條件設定的長短時間間隔均為10s（長）和5s（短），第2種條件的長短時間間隔為20s（長）和10s（短）。

（B，a至c）實驗第1種條件（左）、第2種條件（中）和第3種條件（右）中的三種典型的時間細胞放電模式。上圖：長時間間隔和短時間間隔試次對應的柵格影象。下圖：長時間間隔（實線）和短時間間隔（虛線）試次對應的PETHs。

（C）實驗第1種條件（左）、第2種條件（中）和第3種條件（右）中時間細胞的放電模式（n=來自7只大鼠的454個單元）。每一行代表在每種實驗條件下長時間間隔試次中單個神經元的PETHs。色標代表的是每個神經元的放電頻率。神經元按照第1種實驗條件下的峰值出現時間排列。

（D）資料（C）的總體向量分析。左側：實驗第1種條件下總體向量矩陣的自相關。中間和右側：分別是實驗第1種條件和第2種條件以及實驗第1種條件和第3種條件的交叉相關。色標代表的是皮爾遜相關係數。

（E） 實驗第1種條件和第2種條件（藍色）以及實驗第1種條件和第3種條件（綠色）之間時間細胞的比例因子的分佈。

海馬時間細胞（Hippocampal time cells）能夠及時編碼有組織經驗的特定瞬間，從而可以支援海馬情景記憶功能的正常執行。但是，當前我們對此類時間細胞隨情景的適時變化而發生的重組知之甚少。Akihiro Shimbo與一個來自日本慶應義塾大學（Keio University）Riken腦科學中心和心理系的研究團隊共同對CA1神經元的活動進行了探究——此類神經元的活動對人類的自傳體記憶、心理時間之旅和自我意識來講都至關重要。

研究使用了時間二分任務（temporal bisection tasks），實驗者們設定了一系列時間間隔，以供在整個實驗的不同組塊（條件）中對時間間隔進行延長、區分或者縮短。研究團隊測量了時間細胞的θ相位進動和θ序列，以保持θ週期中成對細胞之間精確的時間關係。研究者利用大鼠模型展示了θ序列是如何反映大鼠們基於自身的時間知覺而做出關於速度的決定的。該研究中的發現證明了時間細胞的可伸縮特徵支撐記憶形成的靈活的時間表徵的方式。

01認知地圖

神經科學家認為動物具備認知地圖，這一認知地圖可以作為動物們對世界上存在的實體之間關係的內在表徵，同時還可以支援它們進行靈活的行為。由於海馬體細胞群可以組織形成對環境的地圖式表徵，故而海馬體可以為動物提供認知地圖用於空間導航。海馬位置細胞（Hippocampal place cells）會利用其對速度和時間的編碼進行空間表徵。

速度編碼採用位置感受野的形式進行。位置細胞到達峰值的時間極易被4到10Hz的θ振盪調製，與此同時峰值的相位移動將與其相對於感受野中心的距離構成函式關係。有了這兩種形式的速度和時間編碼，海馬的空間表徵就同時涉及到了位置和關係資訊。與絕對位置關係相比，相對位置關係更能為海馬的空間識別提供更多的基礎資訊。

海馬還可以為非空間實體（即包含基於時間的資訊的實體）提供認知地圖。但是，少有研究聚焦於對海馬體時間表徵的系統性重組的探究。在本研究中，Shimbo等人研究了海馬體中時間編碼的可伸縮性。海馬體透過時間細胞的連續活動來表徵流逝的時間資訊。先前的研究詳細描述了包括前額葉皮層和中腦在內的幾個大腦區域參與感知和表徵流逝時間資訊的機制。

時間細胞θ相位進動的可伸縮性。

（A，A到f）任務1中實驗第1種條件（左欄）、第2種條件（中欄）和第3種條件（右欄）中三種典型時間細胞的放電頻率和θ相位。上圖：短時間間隔和長時間間隔試次對應的柵格圖。中間：長時間間隔（實線）和短時間間隔（虛線）試次對應的PETHs。底部：以流逝的時間為橫座標做出的θ相點陣圖。每個點代表長時間間隔（淺色）和短時間間隔（深色）試次的動作電位。每個圖形中的黑線代表的是資料的圓形線性擬合（請參見材料和方法部分的介紹）。（B） 任務1中每個單元（n=351個單元）中條件1和條件2（藍點）之間以及條件1和條件3（綠點）之間相位進動斜率的關係。實線代表的是這些資料的線性迴歸擬合。（C）條件2中每個細胞相位進動的斜率除以條件1中的相位進動斜率（藍色）。條件3中每個細胞的相位進動斜率除以條件1中的相位進動斜率（綠色）。平均值±標準誤。***P

02實驗

研究中，大鼠在研究人員的引導下進行了區分長時間間隔和短時間間隔的二分任務以獲得獎勵。研究者注意到，CA1區域的大多數時間細胞在各個實驗試次及條件下均表徵了時間資訊。Shimbo等人研究了與海馬θ振盪相關的時間細胞序列活動的時間結構，以確定時間可伸縮性表徵的機制。

在分析資料時，他們關注了反映大鼠對時間的感知的時間細胞的活動。研究結果顯示，由於位置細胞和時間細胞之間的相似性，海馬體中空間和非空間資訊的地圖式表徵共享著同一種迴路機制。在任務進行的過程中，科學家們用高密度矽探針記錄了大鼠海馬區CA1神經元的活動。他們根據記錄的波形和放電頻率將這些細胞歸類為假定的錐體細胞或中間神經元。

單個θ週期中脈衝序列時間壓縮的成對分析。

（A，a和b）左：在條件1和條件2下（任務1），兩對典型的時間細胞（紅色和藍色）的放電頻率和θ相位。箭頭代表的是峰值放電頻率。右：條件1（橙色）和條件2（紫色）中成對細胞的交叉相關圖（CCG）。箭頭代表的是CCGs的峰值。需要注意的是，（Ab）中的CCG峰值時間偏移大於（Aa）（右），這表明（Ab）中的成對細胞的PETH峰值時間距離大於（Aa）（左）。a.u.，是指任意單位。

（B）時間細胞對PETHs的交叉相關。（C）條件1和條件2中時間細胞對的CCG（n=694對）。細胞對的順序與（B）和（C）中的相同。（D）條件1和條件2中單個θ週期中峰值序列時間壓縮的成對分析。每個點代表一對神經元。水平軸表示PETH的峰值距離，豎軸表示CCG的峰值位移。在條件1和條件2中，迴歸線（紅色）的斜率分別為29.2和15.0 ms/s。（E）條件1和條件2的CCG時間偏移之間的關係。迴歸線（紅色）的斜率為0.98。

03時間的可伸縮表徵

Shimbo等人訓練大鼠進行時間二分任務，並設定不同的時間間隔來區分不同條件對應的試次。在實驗過程中，研究者強迫老鼠在跑步機上進行長時間或短時間的奔跑。強制奔跑之後，它們需要在Y型迷宮中選擇左臂或右臂。如果大鼠選擇了正確的一側，那麼它完成每項任務時會獲得研究者提供的水滴作為獎勵。研究人員首先評估了錐體細胞依賴於時間的活動，並將22.2%的錐體細胞歸類為時間細胞。他們還確定了CA1錐體細胞的時間表徵是否可伸縮至收縮的方向，從而證明CA1錐體細胞的時間表徵在擴張和收縮方向上均可伸縮。

04任務依賴於時間的可伸縮表徵

為了檢驗時間的可伸縮性特徵在多大程度上依賴於任務要求，Shimbo等人訓練了另一組大鼠進行光辨別任務，在該任務中，動物不需要再完成區分時間間隔的任務。在光辨別任務中，實驗者強迫大鼠在跑步機上進行短時間或長時間的奔跑，隨後要求大鼠在光的引導下選擇Y迷宮的左臂或右臂。

研究者探究了執行光分辨任務的大鼠的CA1神經元活動。在光分辨任務中，研究人員將7.5%的錐體細胞歸類為時間細胞，這一比例明顯低於時間二分任務中的比例。基於這一結果，研究者認為時間細胞的形成取決於任務的要求，同時時間細胞也具有可伸縮的關於流逝時間資訊的表徵。

時間細胞θ序列的可伸縮性。

（A）任務1中單個示例試次中每個時間點的解碼流逝時間資訊。頂部：同時記錄的10個錐體神經元的LFPs（寬頻帶，4-10Hz）和單元，按照錐體神經元放電頻率的峰值時間從下到上排列。底部：依據試次中同時記錄的錐體細胞活動資料計算了時間資訊的機率密度。以1毫秒的時間步長和20毫秒的時間視窗執行貝葉斯解碼。

（B）任務1中某一示例程序中，條件1、2和3中每個θ相位處解碼時間的機率密度。水平軸代表的是對峰值資料進行取樣處的θ相位，垂直軸表示相對於取樣時間從峰值活動解碼的時間。結果表明，解碼後的相對時間在條件2中於垂直方向上延長。

（C）條件1和條件2以及條件1和條件3之間θ序列的比例因子（n=26個系列；選擇了包含8個以上時間細胞的系列）。平均值±標準誤。**P

05時間細胞θ相位進動和θ序列的可伸縮性

海馬細胞群在空間導航的過程中，於單個θ週期內產生的序列結構被稱為θ序列。這些週期極為濃縮地代表了過去、現在和未來位置的軌跡序列。Shimbo等人在時間二分任務中，檢查了作為流逝時間函式的θ相位進動的存在。在間隔期內，區域性場電位被一個穩定的θ頻率（4～10Hz）的振盪所控制。研究團隊研究了單個神經元的相位-時間關係，發現77.3%的時間細胞出現了相位進動的現象。 Shimbo等人探究了時間細胞群在單個θ週期中的峰值序列的時間結構，從而瞭解時間細胞群在任務期間是否形成了θ序列。

結果顯示，在單個θ週期中細胞對具有時間關係。研究團隊隨後進行了評估，探究時間細胞的θ序列究竟只是單個神經元相位進動的結果，還是說它們之間的相關結構要比相位進動預測的還要高。結果表明，時間細胞的θ序列不僅僅是單個神經元相位進動的結果。

總的來講，這些結果顯示了時間細胞的θ序列在整個實驗條件及試次下的可伸縮性，以及細胞對之間的精細時間關係在單個θ週期內的保持方式。科學家們還研究了時間細胞的集合反映大鼠對流逝時間認知的方式。本研究為我們展示了，研究中的結果是如何來反映時間細胞集合的活動的，同時實際上也展示了這些結果是如何反映動物在各個實驗試次中所做的決定的。

時間細胞速度和時間編碼的可伸縮性。時間資訊的表徵在海馬區域的速度和時間編碼維度上是可伸縮的。由於單個θ週期中峰值活動精細的時間結構，單元間的時間關係在短時和長時情景之間是保持不變的。由於單個θ週期中神經元對流逝時間資訊的表徵，峰值序列的時間表徵在短時和長時情景之間會發生縮短。

06觀點

透過上述研究，Akihiro Shimbo及其同事們研究了海馬體時間細胞在速度和時間編碼維度上的可伸縮性。結果表明，海馬體和海馬錐體細胞的時間表徵在速度和時間這兩個因素維度上的可伸縮性。本研究認為，海馬體中空間和非空間資訊的地圖式表達共享著同一種潛在的迴路機制。這種可伸縮的、地圖式的時空資訊體系結構可以使個體形成靈活的記憶，從而使其適應複雜的環境。

編譯：UTCS（brainnews創作團隊）