一个新的计算模型揭示了海马体中的位置细胞如何在缺乏空间元素的情况下，仍能为形成各种类型的情节记忆做出贡献。
近50年前，科学家们识别出海马体中的细胞，这些细胞编码与特定位置相关的记忆。这些细胞对情节记忆也有显著贡献，情节记忆是对过去事件的回忆。虽然位置细胞对空间记忆的编码已经被很好地理解，但它们在编码情节记忆中的作用仍然不清楚。
麻省理工学院的研究人员创建了一种模型，以解释在没有空间背景的情况下，位置细胞如何参与创造情节记忆。他们的发现表明，位置细胞和内嗅皮层中的网格细胞共同作为一个框架，将记忆连接成一个连贯的系列。
“这是内嗅-海马电路的初步模型，用于情节记忆。它为深入探索情节记忆提供了起点，”在麻省理工学院担任脑与认知科学教授的伊拉·菲特（Ila Fiete）这样说道，她是麦戈文脑研究所的一部分，也是该研究的高级作者。
该模型有效地捕捉了生物记忆系统的几个特征，包括巨大的存储能力、旧记忆的逐渐消退以及参与记忆比赛的人能利用“记忆宫殿”记住大量信息的现象。
该研究的主要作者包括麻省理工学院的研究科学家萨尔塔克·钱德拉（Sarthak Chandra）和2024年获得博士学位的苏甘达·香玛（Sugandha Sharma）。该研究发表在《自然》杂志上，来自加利福尼亚大学戴维斯分校的助理教授里希德夫·乔杜里（Rishidev Chaudhuri）也参与了贡献。
记忆索引
为了编码空间记忆，海马体中的位置细胞与网格细胞紧密协调，后者是一种特殊类型的神经元，在空间内的不同位置以几何模式激发。这些网格细胞的集合创建了一个三角格结构，代表物理环境。
除了帮助回忆我们曾经去过的地方，这些连接海马体和内嗅皮层的神经回路在导航陌生地点时也至关重要。患者的证据表明，这些回路对形成情节记忆至关重要，这些记忆通常包含空间元素，但从根本上是由事件构成的——例如，一个人是如何庆祝他们的最后一个生日或他们昨天午餐吃了什么。
“海马体和内嗅皮层中的相同回路参与空间和一般情节记忆，”菲特解释说。“有趣的问题是，是什么将空间记忆和情节记忆连接在一起，使它们能够共存于同一电路中？”
关于这种功能重叠主要有两种理论。一种认为，这个回路是为了主要存储空间记忆而进化的，因为记住食物或捕食者的位置对生存至关重要。在这种观点下，情节记忆是作为空间记忆的副作用被偶然记录下来的。
第二种理论认为，该回路的设计是为了存储情节记忆，而空间记忆则是各种情节经验的一个维度。
在这项研究中，菲特和她的团队提出了第三种理论：网格细胞独特的平铺模式及其与海马体的连接对情节记忆和空间记忆同样重要。他们的这一新模型基于实验室之前的计算模型，复制了网格细胞如何处理空间信息。
“我们对网格细胞电路的功能达到了一定的理解，这促使我们探索网格细胞如何与包围海马体的更大记忆电路相互作用，”菲特提到。
在这个新模型中，研究人员提出连接海马细胞的网格细胞可能作为存储空间和情节记忆的基础结构。网格中的每个激活模式代表一个“井”，在规则间隔处定位。虽然这些井不包含实际的记忆数据，但它们充当指向特定记忆的方向标，这些记忆则存储在连接海马体和感觉皮层的突触中。
当通过部分输入触发记忆时，网格细胞和海马细胞之间的相互作用引导电路到最近的井，允许该井的状态与相关的感觉皮层组件连接，从而检索完整的记忆细节。感觉皮层的存储能力超过海马体，使其能够保留大量的记忆。
“在概念上，我们可以将海马体视为一个指针网络。它像一种索引，能够从部分信息重构记忆，随后将注意力引导到原始体验发生的感觉皮层，”菲特建议道。“这个支架仅包含这些状态的抽象索引，而不是内容本身。”
此外，顺序事件可以相互连接：网格细胞-海马网络中的每个井有效地保留了触发下一个井所需的信息，使记忆能够按适当的顺序被回忆起来。
建模记忆结构
科研人员的这一新模型比基于霍普菲尔德网络的传统模型更准确地复制了与记忆相关的许多现象——霍普菲尔德网络是一种能够存储和检索模式的神经网络。
虽然霍普菲尔德网络提供了关于通过增强神经连接形成记忆的宝贵见解，但它们并不精确模仿生物记忆过程。在霍普菲尔德方法中，每个记忆都被详细检索，直到达到记忆上限。一旦达到极限，就不能再存储新记忆，添加更多的记忆会导致所有之前存储信息的丧失。这个问题被称为“记忆悬崖”，并未反映自然大脑逐渐遗忘旧记忆而采纳新记忆的倾向。
麻省理工学院团队的模型成功地整合了大量关于小鼠在不同环境中导航和觅食时网格细胞和海马细胞的记录的发现。此外，它提供了对一种名为记忆宫殿技术的记忆方法背后机制的见解。记忆比赛的参与者通常通过将每张卡牌与熟悉环境中的特定位置联系起来来记忆一副洗牌的牌。例如，像是他们的童年家。当回忆卡牌时，他们会在脑海中穿越空间，想象每张卡牌在其指定位置。有趣的是，将卡牌的记忆与位置联系起来可以增强回忆的强度和可靠性。
麻省理工学院团队开发的计算模型巧妙地执行了此类任务，表明记忆宫殿利用了记忆电路将输入与海马支架连接的策略。从本质上讲，存储在感觉皮层中的旧记忆可以作为新记忆的基础，从而允许保留和检索比其他情况下更多的顺序项目。
展望未来，研究人员计划扩展他们的模型，以探索情节记忆如何过渡到皮层“语义”记忆——即与获取记忆的特定情境无关的事实知识（例如，知道巴黎是法国的首都），事件的定义，以及如何将受脑启发的记忆框架整合到当代机器学习中。
这项研究得到了美国海军研究办公室、国家科学基金会的强健智能计划、ARO-MURI奖、西蒙斯基金会和K.丽莎·杨ICoN中心的支持。
