來源：brainnews

預(yù)測未來是大腦的核心功能，依賴對狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系的學(xué)習。海馬的空間認知地圖被認為是一種內(nèi)部模型，但其神經(jīng)表征兼具預(yù)測編碼與獎賞敏感性，提示功能超越空間導(dǎo)航。近日，麥吉爾大學(xué)Mark P. Brandon在Nature發(fā)表相關(guān)研究論文。本研究在小鼠學(xué)習獎賞任務(wù)的數(shù)周過程中追蹤海馬獎賞表征的演化。結(jié)果表明：隨著經(jīng)驗積累，群體和單細胞水平的獎賞編碼均減弱，而對獎賞前線索的表征增強；獎賞調(diào)諧神經(jīng)元的活動逐漸從獎賞時刻向前提前，呈現(xiàn)經(jīng)驗依賴的“向后偏移”。該動態(tài)重組可被時序差分位置野模型重現(xiàn)。研究揭示海馬表征具有高度可塑性，其核心作用在于通過預(yù)測未來獎賞支持學(xué)習。

圖1 海馬神經(jīng)元編碼分析

本研究采用單光子微型頭戴式熒光顯微鏡對7只小鼠背側(cè)海馬CA1區(qū)行鈣成像，通過注射病毒載體使其表達鈣離子指示劑GCaMP6f并靶向CA1區(qū)植入梯度折射率透鏡；鈣成像數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理校正運動偽影、分割細胞、提取鈣瞬變及反卷積信號軌跡，跨實驗階段及個體共記錄神經(jīng)元504±101個，同時采用20×18 cm自動化觸摸屏箱監(jiān)測小鼠行為，該裝置含正面觸摸屏、后方獎勵端口及頂部紅外攝像機訓(xùn)練小鼠執(zhí)行延遲非位置匹配任務(wù)，起始后屏幕隨機呈現(xiàn)單側(cè)樣本，小鼠鼻觸后進入延遲階段，延遲結(jié)束后聲光電信號提示其返回籠尾穿光束啟動選擇階段，需選擇非匹配方塊以獲獎勵；小鼠每日完成1個實驗階段，達標后延長延遲時長提升難度，此舉旨在區(qū)分實驗經(jīng)驗與學(xué)習過程對海馬神經(jīng)元活動的獨立作用并維持小鼠持續(xù)學(xué)習以激活相關(guān)神經(jīng)環(huán)路，結(jié)果顯示各延遲條件下小鼠任務(wù)表現(xiàn)隨訓(xùn)練逐步提升。

圖2 學(xué)習驅(qū)動海馬獎賞前編碼增強

本研究采用與獎賞表征分析相同的方法，量化海馬對獎賞前事件編碼的演化，具體包括屏幕選擇期（觸屏前后±150 ms）和獎賞接近期（從選擇到抵達獎賞口之間的奔跑階段）。結(jié)果顯示，CA1中存在分別編碼左、右選擇的神經(jīng)元亞群。與獎賞編碼隨學(xué)習減弱相反，屏幕選擇期的群體信息量隨訓(xùn)練天數(shù)和行為表現(xiàn)顯著增加，獎賞接近期的編碼也呈現(xiàn)類似增強趨勢。在單細胞水平，鑒定出部分神經(jīng)元特異性響應(yīng)屏幕選擇或獎賞接近，其比例同樣隨訓(xùn)練進程和任務(wù)表現(xiàn)上升。此外，獎賞接近細胞對不同大小獎賞的趨近反應(yīng)存在顯著差異，表明其活動受獎賞幅度調(diào)制。綜上，隨經(jīng)驗積累，海馬對獎賞本身的編碼減弱，而對獎賞前線索的編碼增強，體現(xiàn)出從反應(yīng)性表征向預(yù)測性表征的動態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖3 學(xué)習過程中獎賞編碼的向后偏移

在所有小鼠中，共追蹤到1,814個神經(jīng)元，其中225個為獎賞細胞，225個為屏幕選擇細胞，53個為獎賞接近細胞，其余為未分類細胞。分析顯示，大量獎賞細胞在訓(xùn)練過程中表現(xiàn)出活動時間窗從獎賞時刻逐漸前移至獎賞接近期甚至屏幕選擇期即“向后偏移”。具體而言，獎賞細胞和獎賞接近細胞的反應(yīng)時序與訓(xùn)練天數(shù)呈顯著負相關(guān)；通過置換檢驗，21%的獎賞細胞（47/225）呈現(xiàn)顯著向后偏移，遠高于5%的隨機水平，其中60%最終被重新歸類為屏幕或獎賞接近細胞。相比之下，前向偏移的獎賞細胞僅達隨機水平。而屏幕和獎賞接近細胞則同時存在前移和后移。此外，多種細胞類型的反應(yīng)幅度隨訓(xùn)練天數(shù)下降，提示除時序偏移外，神經(jīng)元活動強度減弱也共同導(dǎo)致群體水平獎賞表征的衰減。這些結(jié)果表明，海馬神經(jīng)元通過動態(tài)調(diào)整編碼時序與強度，將表征重心從獎賞本身轉(zhuǎn)向其預(yù)測性線索。

總結(jié)

研究結(jié)合小鼠CA1區(qū)大尺度神經(jīng)元群體記錄與自動化觸屏獎賞任務(wù)，探究海馬中獎賞編碼的長期動態(tài)變化。結(jié)果顯示，隨著學(xué)習進行，獎賞信號逐漸減弱，而對預(yù)測獎賞的線索反應(yīng)則顯著增強。這一“向后偏移”機制為理解大腦如何通過經(jīng)驗優(yōu)化未來行為提供了關(guān)鍵神經(jīng)證據(jù)。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09958-0

參考文獻

Yaghoubi M, Kumar MG, Nieto-Posadas A, Mosser CA, Gisiger T, Wilson é, Pehlevan C, Williams S, Brandon MP. Predictive coding of reward in the hippocampus. Nature. 2026 Jan 14. doi: 10.1038/s41586-025-09958-0. Epub ahead of print. PMID: 41535460.

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