研究亮点

• 基底核(NB)刺激可改善猴子的工作记忆任务表现

• NB刺激下前额叶神经元活性增加

• 神经元的调节范围更广，脑网络更加稳定

• 工作记忆性能是由稳定性和准确性的权衡决定的

乙酰胆碱在大脑皮层中起着关键作用。胆碱能激动剂和乙酰胆碱酯酶抑制剂可以增强认知功能，例如，间歇性电刺激作用于乙酰胆碱皮质源和Meynert的基底核(NB)区。

在这里，作者展示了两只雄性猴子的NB区刺激效应是如何影响工作记忆和改变其神经编码的。在猴子的前额皮质背外侧（dlPFC）植入一个直径20毫米的记录电极（图1）。

图1. 刺激定位

植入前的解剖MR扫描。植入电极的近似位置用实线/虚线表示。虚线区域代表神经生理学记录的皮层区域。AS, 弓状沟; PS, 主沟。

在dlPFC的8a区和46区记录单个神经元的胞外活动。在MR成像的基础上确定电极的解剖位置。记录是通过电极中的两到四个微电极阵列获得的。

本研究中使用的任务是动眼肌延迟反应任务的改编版本，涉及两个视觉刺激的出现顺序，要求猴子记住并做出第一个或第二个视觉刺激位置的眼球运动（图2）。

图2 行为任务示意图

(A)连续框架说明行为任务中事件的顺序。根据注视点的颜色是白色还是蓝色，猴子必须分别记住按顺序呈现的两个视觉刺激中的第一个或第二个。在实验结束时，注视点消失，猴子需要向记住的视觉刺激位置并进行眼球运动，以获得液体奖励。

(B)任务单次试验示意图。方块代表任务中连续的事件: 注视、第一次视觉刺激呈现、第一次延迟期、第二次视觉刺激呈现、第二次延迟期和扫视。连续的试验由试验间间隔分开。当给予NB刺激时，总是在试验间期发生。

(C)在一个压缩的时间尺度内，相对于(B)的刺激区块的试验序列。连续的试验，标记为14，每个持续大约10秒，随后是15秒的刺激。试验的精确持续时间取决于动物开始试验的速度，以及试验是成功完成还是失败(例如，由于固定中断)。

(D)对照(无刺激)期的试验顺序。试验的安排与刺激区完全相同，包括每60秒延长的试验间间隔，但在此期间没有施加刺激(假实验)。

本研究记录了dlPFC 8区和46区共233个神经元(两只猴子的神经元分别为102和131个)。记录首先在对照条件下进行，然后在NB刺激下进行。记录圆筒与刺激电极同侧植入。NB刺激在正确操作下，试验记录的神经活动主要具有兴奋作用（图3）。

图3 神经刺激的影响

(A-D)栅格图表示在控制和NB刺激条件下，单个前额神经元在记忆第一(A和B)和记忆第二(C和D)任务中的反应。线迹代表平均的，刺激前后的时间直方图，有和没有NB刺激。

试验汇集了第一个视觉刺激出现在对侧(A和C)或同侧半球(B和D)的条件。灰色条形图表示视觉刺激出现的时间。线迹代表平均的，刺激前后的时间直方图，有刺激和没有刺激。

总 结

总的而言，NB刺激增加了猴子在执行空间工作记忆任务时延迟期的背外侧前额叶活动，扩大了对刺激的选择性，但每个神经元并没有增强对最佳视觉刺激的相位反应。

在神经元的选择性降低的多任务情况下，猴子的表现却得以改善。这表明延迟期的稳定性可能增加了。如果出现与目标相似的干扰物，NB刺激下的表现确实会下降，这与前额叶选择性的降低是一致的。

本研究通过向两只猴子植入以NB为靶点的单侧电极，以确定刺激对行为表现和神经活动的影响。结果表明，胆碱能前脑的刺激增加了前额神经活动，这种神经调节可以改善认知表现，在稳定性和准确性之间进行权衡。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109469

参考文献

Qi et al., Nucleus basalis stimulation enhances working memory by stabilizing stimulus representations in primate prefrontal cortical activity, Cell Reports (2021)

编译作者：CholeFu（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）