神经学家研究发现人类大脑中储存“时间记忆”的神经元细胞

　　数十年来，神经学科的科学家在理论上推测人类的大脑中有一部分细胞可以在大脑中为我们日常发生的事件打上“时间标签”，这样我们可以及时回想起过去所发生事情的时间。但是，在科学界一直没有找到可以让人信服的证据证明这部分帮助我们记忆事件发生时间的脑细胞的存在。

　　近日，麻省理工大学的安-格雷布耶尔（Ann Graybiel）教授和他的研究小组发现，在灵长类动物的大脑中有一类神经元细胞可以将时间信息精确的编译储存。安-格雷布耶尔说：“我们的大脑对所有事情都加上时间的标签，这样就使得我们回忆事情显得非常简单。我们回忆事情的时候首先通过过滤这些时间标签，然后通过时间标签将相关的事情从记忆中提取出来。”这种准确的时间记忆对于开车或弹钢琴等日常活动以及对于我们回忆往事极为重要。这个发现发表在新一期的美国《国家科学院院刊》（PNAS）上。这项研究成果可用于治疗帕金森综合征等导致记忆力丧失疾病的治疗上。

　　安-格雷布耶尔的实验小组首先训练两只猕猴按照规定完成一个简单的眼部运动实验。当接到“开始”的命令后，两只猕猴按照自己的速度去完成眼部运动实验的过程。研究小组用相应的仪器同步记录两只猕猴大脑中数百个神经元细胞的电信号。同时，实验小组用相关的仪器同步记录两只猕猴大脑中数百个神经元细胞的电信号，并由日本脑部研究所的直孝藤井（NaotakaFujii）和宾夕法尼亚州立大学的金德哲（DezheJin）领导的研究小组用数学的方法来分析这些电信号。

　　经分析后发现，当猕猴接到“开始”的实验命令后，猕猴脑部的神经元细胞总是在特定的时间内由脑部发出，比如说：在猕猴接到“开始”实验命令后的100毫秒、110毫秒或者150毫秒时等等。安-格雷布耶尔说：“这些实验数据的分析表明，我们已经找到了一直在寻找而没有发现的猕猴大脑内储存时间记忆的脑部细胞。”

　　这些储存时间记忆的神经元细胞位于脑部前额叶皮层和纹状体区域，这些区域同时也是人类大脑掌控学习、运动和思维的重要区域。安-格雷布耶尔表示，尽管这次实验主要集中在研究猕猴脑部前额叶皮层和纹状体区域，但是脑部其他的区域肯定也存在这些可以储存时间记忆的神经元细胞。

　　对于这次研究结果的应用，安-格雷布耶尔表示，这次研究的结果可以帮助帕金森综合症患者康复。帕金森综合症的患者正是由于脑部时间记忆功能受损，在寻找和传输时间记忆时总是比正常人要慢。因此帕金森综合症患者不能像正常人一样按照正确的时间规律来完成日常行动。根据这次实验的结果，在为帕金森综合症患者治疗时，可以通过轻轻拍打等外部刺激帮助患者脑部加速寻找关于时间的记忆，这样患者讲话时会显得更加清楚一些。另外，医生还可以通过神经元修复装置或者神经元修复药物（这些药物中含有神经元细胞所需的多巴胺和羟色胺等）来帮助帕金森综合症患者恢复。

　　在下一步的研究中，安-格雷布耶尔将集中研究脑部是怎样制造这些含有“时间记忆标签”的神经元细胞的，并研究这些时间记忆细胞是如何控制人们的行为和学习活动的。还有一个重要的研究问题是，脑部究竟为何对于不同环境下对时间的感受并不相同。安-格雷布耶尔说：“我们有时候会感觉时间过的很快，有时候却感觉时间过的很慢，所有这些都将可以用带有时间记忆的神经元细胞来解释说明原因所在。”

　　美国匹兹堡大学的神经生物学教授彼得-施特瑞克（Peter Strick）对这次实验结果给予高度的评价，施特瑞克认为这次实验结果是对脑部如何记录和表述时间概念的一次全新阐释。施特瑞克说：“对于光线、声音、触觉、冷热感知、嗅觉等，我们人体有特定的感觉接受器，但是对于时间我们并没有特定的感觉接受器，对于时间的感知和储存是由大脑自己形成并运行的。”

Neural representation of time in cortico-basal ganglia circuits

1. Dezhe Z. Jin^a,¹,
2. Naotaka Fujii^b,¹ and
3. Ann M. Graybiel^c,²

Author Affiliations

1. ^aDepartment of Physics, Pennsylvania State University, 104 Davey Laboratory, PMB 206, University Park, PA 16802;
2. ^bLaboratory for Adaptive Intelligence, Brain Science Institute, RIKEN, 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan; and
3. ^cDepartment of Brain and Cognitive Sciences and the McGovern Institute for Brain Research, Massachusetts Institute of Technology, 43 Vassar Street, 46-6133, Cambridge, MA 02139

1. ↵¹D.Z.J. and N.F. contributed equally to this work.

2. Contributed by Ann M. Graybiel, September 4, 2009 (sent for review July 27, 2009)

Abstract

Encoding time is universally required for learning and structuring motor and cognitive actions, but how the brain keeps track of time is still not understood. We searched for time representations in cortico-basal ganglia circuits by recording from thousands of neurons in the prefrontal cortex and striatum of macaque monkeys performing a routine visuomotor task. We found that a subset of neurons exhibited time-stamp encoding strikingly similar to that required by models of reinforcement-based learning: They responded with spike activity peaks that were distributed at different time delays after single task events. Moreover, the temporal evolution of the population activity allowed robust decoding of task time by perceptron models. We suggest that time information can emerge as a byproduct of event coding in cortico-basal ganglia circuits and can serve as a critical infrastructure for behavioral learning and performance.