Goldman-Rakic论文《猴前额叶背外侧皮质视觉空间的记忆编码》
作者: 东华君 / 856次阅读 时间: 2021年2月11日
来源: 东华君 知乎 标签: 前额叶
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Patricia Goldman-Rakic是研究前额叶皮层结构和功能的先驱,同时在工作记忆、精神分裂症等领域也取得了突出成果。她去世后,还有一个以她的名字命名的奖项设立:Goldman-Rakic Prize for Outstanding Achievement in Cognitive Neuroscience

Funahashi, S. , Bruce, C. J. , & Goldman-Rakic, P. S. . (1989). Mnemonic coding of visual space in the monkey's dorsolateral prefrontal cortex. Journal of Neurophysiology, 61(2), 331-349.

在这篇论文里主要的贡献在于:

创立了全新的眼动延迟-反应(oculomotor delayed-response, ODR)行为范式(图2),推进了研究工作记忆神经机制的热潮。

揭示了前额叶皮层神经元如何表征视觉空间信息。

前额叶皮层在记忆中的重要性的证据最初来自于20世纪30年代Jacobsen在猴身上做的额叶切除实验[2]。他训练猴操作延迟-反应任务(delayed-response tasks,图1A)。在延迟-反应任务中,猴首先看到实验者将食物放进桌面上左右两个凹槽中的一个,两个凹槽分别盖上盖板。然后在猴和桌面之间拉下一张帘子,挡住猴的视线,使猴看不到桌面。这一期间称为延迟期。延迟期结束,实验者拉起帘子,让猴能看得到桌面,可以翻开盖子取食。要正确完成这一任务,猴需要在延迟期记住放有食物的凹槽的位置,这种对随机位置的记忆属于工作记忆。切除前额叶皮层严重破坏猴的延迟反应任务的操作能力。延迟期越长,猴的操作成绩越差,表明前额叶皮层在工作记忆中发挥者重要的作用。

图1. 早期研究前额叶皮层在工作记忆中的作用的方法。A)延迟-反应任务。B)背外侧前额叶皮层所在位置。C-D)某个神经元在编码和不编码工作记忆时的活动情况。

随后,1971年,Fuster和Kubota分别独立发现了背外侧前额叶皮层(dorsolateral prefrontal cortex, 图1B)中的“记忆细胞”[3, 4],它们在整个延迟期显示出高峰尖峰放电(图1C-D)。 此后,持续的神经活动便被学术界认为是工作记忆的表征机制。

然而,在这些早期的研究中,有一个致命的问题:行为反应是手动的,并且猴子的眼睛位置不受控制。 这让实验结果受到质疑。例如,如果动物在延迟期持续地盯着放有食物的位置,则根本不需要记住提示位置。

图2. ODR任务和单个前额叶神经元的活动[5]。

而Goldman-Rakic等人在1989年发表的这篇文章中建立的行为学任务(图2)则彻底的解决了这个问题。在这个新的任务中,猴眼睛的运动是被精确的监视的。猴需要盯着屏幕的中央,视觉刺激会在周边短暂地闪烁一下,然后延迟几秒钟。 注视点的消失表明延迟期的结束。 在那一刻,猴子必须将眼睛的注视点精确的移动到延迟时间之前视觉刺激所提示的位置。眼睛在延迟期是保持不动的,而在响应期间,电脑显示屏上没有任何东西,并且整个房间是漆黑的,因此,猴子必须使用工作记忆来执行这个任务。 所以,这个基于眼动的行为范式提供了前所未有的实验控制程度。

图 3. A)文中的一个神经元,对视野中135°方位反应最强烈[1]。B)Goldman-Rakic等人之后提出的视觉空间工作记忆的理论模型[6]。

在这篇论文中,报道发现背外侧前额叶皮层中的许多神经元在延迟期期间表现持续性的活动。 有趣的是,与初级视觉皮层中神经元的方向选择性相似,不同的前额叶神经元的延迟期活动对于不同的空间位置是具备选择性的(细胞的memory field,图3A),并且这种选择性可以通过高斯调谐曲线来量化。 这种延迟期的活动在猴子做错任务时并不会出现,这表明神经元的活动(即工作记忆)可以预测动物的行为结果。也就是说,不同的前额叶神经元能将不同的空间位置信息编码并存储在工作记忆中,使得前额叶皮层的这个区域包含完整的视觉空间“记忆”图(contains a complete ‘memory’ map of visual space)[1]。随后,加上分子细胞和解剖学的一系列工作,Goldman-Rakic等人提出了经典的视觉空间工作记忆的理论模型(图3B)。

总而言之,Goldman-Rakic等人的这篇文章是认知神经科学领域内的经典之作,不仅报道了前额叶皮层是如何表征视觉空间信息,而且发布了一个杰出的行为学范式,推动了工作记忆的研究热潮。

参考文献:

1. Funahashi, S., C.J. Bruce, and P.S. Goldman-Rakic, Mnemonic coding of visual space in the monkey's dorsolateral prefrontal cortex. J Neurophysiol, 1989. 61(2): p. 331-49.

2. Jacobsen, C.F. and H.W. Nissen, Studies of cerebral function in primates. IV. The effects of frontal lobe lesions on the delayed alternation habit in monkeys. Journal of Comparative Psychology, 1937. 23(1): p. 101.

3. Fuster, J.M. and G.E. Alexander, Neuron activity related to short-term memory. Science, 1971. 173(3997): p. 652-4.

4. Kubota, K. and H. Niki, Prefrontal cortical unit activity and delayed alternation performance in monkeys. J Neurophysiol, 1971. 34(3): p. 337-47.

5. Bear, M.F., B.W. Connors, and M.A. Paradiso, Neurosciences: exploring the brain. 2016: Wolters Kluwer.

6. Constantinidis, C. and T. Klingberg, The neuroscience of working memory capacity and training. Nat Rev Neurosci, 2016. 17(7): p. 438-49.

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