《Communications Biology》：Functional role of cell classes in monkey prefrontal cortex after learning a working memory task
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工作記憶（WM）在認知功能中至關重要，前額葉皮層（PFC）對其意義重大，但 PFC 在空間和非空間 WM 中的具體作用及不同細胞類型的角色不明。研究人員分析猴 PFC 單細胞記錄，發現不同細胞類別功能各異。這推進了對 PFC 功能異質性的理解。
在大腦的神秘世界里，工作記憶（Working Memory，WM）就像一個臨時的信息存儲和處理中心，它對我們的決策、注意力控制、學習等高級認知功能起著關鍵作用。前額葉皮層（Prefrontal Cortex，PFC）則被認為是這個中心的重要 “指揮官”，在工作記憶任務中扮演著重要角色。然而，目前科學家們對于 PFC 在空間和非空間工作記憶中的精確作用，以及不同細胞類型在維持工作記憶的神經回路中扮演何種角色，還知之甚少。這些未知就像一團迷霧，籠罩著神經科學領域，阻礙著我們對大腦認知機制的深入理解。
為了驅散這團迷霧，來自伊朗科技大學（Iran University of Science and Technology，IUST）等機構的研究人員開展了一項極具意義的研究。他們的研究成果發表在《Communications Biology》上，為我們揭示了許多關于 PFC 細胞功能的重要信息。
研究人員采用了多種關鍵技術方法來開展這項研究。首先，他們對三只恒河猴進行了實驗，在這些猴子學習工作記憶任務前后，記錄它們前額葉皮層的單細胞活動。通過這種方式，獲取了大量珍貴的神經活動數據。其次，利用聚類分析（Clustering Analysis）技術，根據細胞外動作電位（Action Potential，AP）波形特征，將神經元分為不同的細胞類別。這種技術幫助研究人員識別出不同功能的細胞群體。
研究結果如下：
- 細胞類型的區分：通過對 AP 波形的三個特征（谷峰持續時間、第一峰谷比和峰比）進行無監督高斯混合模型（Gaussian Mixture Model，GMM）聚類分析，并結合貝葉斯信息準則（Bayesian Information Criterion，BIC）確定最佳聚類數，研究人員成功識別出四種細胞類別，分別為窄峰 1（NS1）、窄峰 2（NS2）、寬峰 1（BS1）和寬峰 2（BS2）。這些細胞類別在波形特征上差異明顯，并且通過混淆矩陣驗證，聚類的平均準確率高達 95.45%，表明它們之間的區分度很高。
- 細胞類別的生理特征：不同細胞類別具有獨特的生理特征。在預訓練階段，窄峰細胞對視覺刺激或延遲期的反應神經元比例相對較高，并且隨著峰谷持續時間縮短，反應神經元比例升高。計算固定期的四項放電指標（平均放電率 FR、Fano 因子 FF、峰間間隔分布的變異系數 CV 和局部變異 LV）發現，NS1 類基線活動和放電變異性最大，NS2 類活動水平中等，寬峰類（BS1 和 BS2）基線活動低但局部變異高。在視覺刺激誘發反應方面，不同細胞類別也存在顯著差異，NS1 對視覺刺激的瞬態反應最強，BS1 和 BS2 相對較弱。
- 訓練后細胞類別的變化：訓練和執行工作記憶任務后，不同細胞類別發生了不同變化。在基線活動方面，NS1 類基線 FR 無變化，NS2 和 BS1 類顯著升高，BS2 類則顯著降低；在視覺反應動力學上，NS1、NS2 和 BS1 類對視覺刺激的反應神經元比例增加，BS2 類無變化，且不同細胞類別在空間和特征任務中的刺激誘發反應變化各異；在記憶動力學方面，四個細胞類別在延遲期激活神經元比例均增加，但幅度不同，并且不同細胞類別在延遲期的放電特性變化也因任務而異。
- 細胞類別與行為表現的關系：分析不同行為表現條件下的神經活動發現，在空間 WM 任務中，NS2 和 BS1 神經元在高選擇準確率條件下放電率顯著升高；在特征 WM 任務中，只有 BS1 神經元在高選擇準確率條件下放電率顯著增加。這表明不同細胞類別根據行為表現進行不同的神經調制。
研究結論和討論部分指出，通過聚類分析識別出的四種細胞類別可能對應不同的生理細胞類型。窄峰神經元可能與抑制性中間神經元相關，寬峰神經元可能與興奮性錐體細胞相關。不同細胞類別在訓練和執行任務后的變化，體現了它們在處理和執行工作記憶任務中的不同功能作用。例如，BS1 神經元在空間和特征 WM 任務中活動增加，可能在維持和檢索信息中起關鍵作用；BS2 神經元在延遲期放電變異性降低，可能優化神經編碼效率。此外，窄峰神經元在空間和特征任務中的不同調制，表明它們在處理空間信息方面有特定作用。這項研究不僅推進了我們對 PFC 功能異質性的理解，也為進一步研究神經元亞型在認知過程中的專門貢獻提供了重要基礎，為解開大腦認知功能的奧秘邁出了重要一步。
