2.3学习前后vHPC和mPFC之间双向连接强度的变化


为研究学习前后vHPC和mPFC之间的双向连接如何变化，本研究进一步基于任务学习前后，大鼠在执行T迷宫记忆任务过程中两脑区的LFPs信号，应用所选最优调制模型，对任务学习前后两脑区之间连接强度的变化进行了分析，结果如图4所示。其中，8只大鼠每天的T迷宫记忆任务平均正确率（以均值±标准差表示）结果显示，随着训练天数的增加，大鼠执行T迷宫记忆任务的平均正确率总体呈上升趋势，最终能够达到并维持在80%以上。如前文所述，本文中选取了每只大鼠任务学习初始阶段（第1～3天）和学习阶段结束后（第8～12天）的神经电活动信号进行了分析。本文基于学习前后大鼠执行T迷宫记忆任务时vHPC和mPFC的LFPs信号，应用DCM模型，对两脑区之间连接强度变化进行了分析。图4右图横坐标轴上，vHPC-mPFC，表示从vHPC到mPFC的前向连接强度在学习前后的对比结果；mPFC-vHPC，表示从mPFC到vHPC的后向连接强度在学习前后的对比结果。图4右图纵坐标轴，表示连接强度相对变化值。

图4大鼠学习T迷宫任务并比较vHPC和mPFC之间的连接强度


结果显示，相比学习前，学习后大鼠在执行任务时，vHPC和mPFC两脑区之间的前向连接（vHPC-mPFC）增强为学习前的1.80倍，而后向连接（mPFC-vHPC）降低为0.23倍。因此，学习使vHPC和mPFC之间的双向连接强度产生了相反的变化。


2.4学习前后，正确和错误执行任务时连接强度变化趋势不同


为进一步对学习前后大鼠在正确和错误执行任务时，两脑区之间连接强度变化趋势进行对比分析，以探索两者之间是否存在差异，本文相关实验结果如图5所示。其中，横坐标轴上，vHPC-mPFC，表示从vHPC到mPFC的前向连接在学习前后的对比结果；mPFC-vHPC，表示从mPFC到vHPC的后向连接在学习前后的对比结果；纵坐标轴表示，将学会前连接强度作为基准（值为1.00）时，学习前后连接强度相对变化值。

图5正确执行和错误执行T迷宫任务时，vHPC和mPFC之间的连接强度比较


学习前后，大鼠正确执行任务时两脑区之间连接强度对比结果显示，相比学习前，学习后大鼠在正确执行任务时，vHPC和mPFC两脑区之间的前向连接（vHPC-mPFC）强度增强为学习前的2.30倍，而后向连接（mPFC-vHPC）强度降低为0.52倍。此外，对大鼠学习前后，错误执行任务时两脑区之间连接强度进行对比的结果则显示，相比学习前，学习后大鼠在错误执行任务时，vHPC和mPFC两脑区之间的前向连接（vHPC-mPFC）强度和后向连接（mPFC-vHPC）强度均有所下降，分别降低为学习前的0.82倍和0.59倍。对比可知，无论大鼠是否正确执行T迷宫记忆任务，与任务学习前相比，从mPFC到vHPC的后向连接强度均在学习后呈现不同程度的减弱。但是，任务学习前后，从vHPC到mPFC的前向连接强度的变化趋势却与大鼠是否正确执行T迷宫记忆任务密切相关。当大鼠正确执行任务时，两脑区之间前向连接的强度增强，反之，则呈现连接强度减弱的趋势。


3讨论与分析


vHPC和mPFC是参与学习与记忆的两个关键脑区，vHPC和mPFC之间的信息传递在学习与记忆过程中起着重要作用。因此，本文基于vHPC和mPFC两个脑区的LFPs信号，应用DCM模型，探究了两个脑区之间的连接方式以及学习对上述脑区之间连接强度的影响。结果显示，vHPC和mPFC两个脑区之间存在双向连接，即从vHPC到mPFC的前向连接和从mPFC到vHPC的后向连接。该结果与此前Moran等研究结果存在一致性，他们的研究对麻醉状态下大鼠HPC和mPFC两脑区之间的神经连接特性进行了分析，结果显示HPC和mPFC之间也存在同样的双向连接。


为了进一步探究学习对mPFC和vHPC两脑区连接强度的影响，本文中基于上述最优连接模型，进一步应用贝叶斯反演和模型的相对对数证据值对两脑区间连接强度进行了分析。结果表明，任务学习前后，两脑区之间的双向连接强度均发生了改变，总体呈现从vHPC到mPFC的前向连接增强，从mPFC到vHPC的后向连接减弱的趋势。该变化趋势与任务学习前后，大鼠正确执行记忆任务过程中两脑区之间连接强度的变化趋势一致，均为前向连接增强，后向连接减弱。但是，在任务学习前后，当大鼠错误执行T迷宫记忆任务时，vHPC和mPFC之间的双向连接，均呈现连接强度减弱的趋势。上述结果表明，相比于后向连接，较高强度从vHPC到mPFC的前向连接，可能在T迷宫记忆任务的正确执行中发挥了更为重要的作用。而这种学习前后，从vHPC到mPFC前向连接的增强，则可能是由于记忆的形成和巩固过程中突触强度的改变和神经元兴奋性的增强所引起的。这与Park等的研究结果存在一致性，即小鼠在学习期间执行任务正确率的提升，伴随着vHPC神经活动的增强以及vHPC和mPFC之间连接强度的增加；此外，研究表明，由PFC向HPC的突触投射参与了记忆巩固和检索等生理活动，其连接强度的变化与相关生理、病理过程密切相关。这可以作为在本研究中学习前后无论大鼠正确还是错误执行T迷宫记忆任务时，都存在从mPFC到vHPC的后向连接强度变化的合理解释。而根据Rajasethupathy等此前的研究，这种后向连接呈现减弱的趋势，则可能是由于学习促使HPC中与任务相关的稀疏神经元集群的形成，使得学习后从mPFC到vHPC连接网络的稀疏化所致。但是，目前的研究结果仍无法完全解释，学习后，执行T迷宫记忆任务时从vHPC到mPFC的前向连接增强，而从mPFC到vHPC的后向连接减弱。此外，神经元间的连接分为兴奋性连接和抑制性连接，其连接强度的改变由细胞膜上不同突触受体介导。本文中所应用的DCM模型中，脑区间的连接强度同时受到α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionicacid，AMPA）和N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid，NMDA）受体的影响。两者在学习记忆过程中，各自对神经连接强度变化的贡献仍有待进一步研究。


脑区间连接强度的改变由神经元上的突触受体介导，神经连接分为兴奋性连接和抑制性连接。在本文中所应用的DCM模型中，脑区间的连接为兴奋性连接，其受体包括AMPA和NMDA受体，脑区内的连接包括兴奋性连接和抑制性连接（其受体为γ-氨基丁酸受体）。在学习记忆过程中，AMPA和NMDA受体各自对神经连接强度变化的贡献仍有待进一步研究，以期望更加深入了解学习与记忆的神经网络机制。


综上，vHPC和mPFC之间因果连接特性的研究对理解学习记忆具有重要意义，本文应用DCM模型，初步探索了学习对相关脑区（vHPC和mPFC）间信息传递特性的影响，希望能够为进一步从vHPC和mPFC之间神经信息网络连接特性的角度研究学习记忆的相关机制提供支持。