為了有效地在世界中導(dǎo)航、覓食、躲避危險(xiǎn)和尋求庇護(hù)，所有動(dòng)物都依賴(lài)于構(gòu)成空間記憶的關(guān)鍵大腦過(guò)程?？臻g記憶讓我們能夠記住在不斷變化的環(huán)境中前進(jìn)的路線，以及物品在這個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境中的位置。
當(dāng)空間記憶被打亂時(shí)，我們無(wú)法從有助于目標(biāo)導(dǎo)向行為的地標(biāo)中形成空間表征，也無(wú)法根據(jù)周?chē)h(huán)境來(lái)定位自己和穿越空間的路徑。
空間記憶具有短期和長(zhǎng)期記憶的表現(xiàn)形式。前者用空間工作記憶表示. 該系統(tǒng)用于在短時(shí)間間隔內(nèi)臨時(shí)存儲(chǔ)、維護(hù)和操作空間信息。對(duì)于嚙齒類(lèi)動(dòng)物，這是臨時(shí)空間信息，例如，表明某個(gè)迷宮臂沒(méi)有被誘餌，這在下一次試驗(yàn)中將不相關(guān)。另一方面，空間參考記憶是指經(jīng)過(guò)整合并長(zhǎng)期保持的空間信息。例如，這可能是指在迷宮中可以找到食物的獨(dú)立試驗(yàn)地點(diǎn)。在嚙齒動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，空間工作記憶是在一次特定的試驗(yàn)中形成的，可能持續(xù)幾秒到幾分鐘，而空間參考記憶是根據(jù)任務(wù)的恒定環(huán)境在一系列試驗(yàn)中產(chǎn)生的，可能持續(xù)數(shù)天、數(shù)周甚至更長(zhǎng)。
空間工作記憶通常使用人類(lèi)的 corsi 塊敲擊測(cè)試和交替任務(wù)（如嚙齒動(dòng)物的 T 迷宮或 Y 迷宮）進(jìn)行評(píng)估?？臻g參考記憶可以通過(guò)水迷宮進(jìn)行評(píng)估，例如嚙齒類(lèi)動(dòng)物的Morris水迷宮和人類(lèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。八臂迷宮可用于評(píng)估嚙齒動(dòng)物的空間工作和參考記憶。
由于在所有模型物種之間使用了簡(jiǎn)單的空間范式，因此對(duì)動(dòng)物空間記憶的研究已經(jīng)在人類(lèi)中產(chǎn)生了重要的轉(zhuǎn)化結(jié)果。
空間記憶的發(fā)展
從簡(jiǎn)單的無(wú)脊椎動(dòng)物到人類(lèi)，空間記憶的發(fā)展對(duì)行為至關(guān)重要，對(duì)生存至關(guān)重要。我們對(duì)空間記憶及其發(fā)展的神經(jīng)相關(guān)性的了解大部分來(lái)自嚙齒動(dòng)物研究，因?yàn)樗谌祟?lèi)中相對(duì)難以處理。
在這些研究中，空間地圖的發(fā)展被以自我中心和異中心坐標(biāo)系參數(shù)化。以自我為中心的表征涉及物體相對(duì)于動(dòng)物身體的位置。這些是更簡(jiǎn)單的表示，例如，相對(duì)于中央凹的光源位置的表示，或相對(duì)于動(dòng)物的氣味源的表示。
自我中心表征的更簡(jiǎn)單的感官映射為理解環(huán)境的多感官表征提供了一個(gè)起點(diǎn)。另一方面，異中心空間表示涉及對(duì)象相對(duì)于彼此的位置以及與動(dòng)物位置無(wú)關(guān)的更廣泛的環(huán)境。異中心表征可能是由海馬和海馬外區(qū)域之間的非聚合相互作用介導(dǎo)的，而不是特定的大腦區(qū)域。
從外部環(huán)境接收到的空間信息必須以固有的以自我為中心的方式通過(guò)感覺(jué)受體到達(dá)大腦。這就引出了一個(gè)問(wèn)題，即大腦如何學(xué)習(xí)將自我中心的感官表征轉(zhuǎn)化為異己中心的感官表征，這是長(zhǎng)期存儲(chǔ)空間記憶所必需的功能。脾后皮層和內(nèi)嗅皮層都與這種轉(zhuǎn)變有關(guān)，但這仍然是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。
這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)表征分布在大腦中的幾種類(lèi)型的空間調(diào)諧神經(jīng)元來(lái)描述。它們中的每一個(gè)都是形成所有脊椎動(dòng)物物種的連貫空間圖和長(zhǎng)期空間記憶的關(guān)鍵參與者。除了上面討論的位置細(xì)胞之外，還有其他三個(gè)空間神經(jīng)元類(lèi)允許支持空間記憶和導(dǎo)航發(fā)展的功能網(wǎng)絡(luò)。
頭向細(xì)胞分布在中腦、下丘腦、丘腦和海馬結(jié)構(gòu)中，當(dāng)動(dòng)物將頭定向在某個(gè)方向時(shí)，無(wú)論動(dòng)物的位置如何，頭向細(xì)胞都有選擇地做出反應(yīng)。網(wǎng)格細(xì)胞是從海馬旁區(qū)域記錄的，并以橫跨環(huán)境的廣泛三角形陣列發(fā)射，發(fā)射模式對(duì)環(huán)境變化具有穩(wěn)健性。
當(dāng)動(dòng)物沿著構(gòu)成運(yùn)動(dòng)障礙的環(huán)境邊界（例如迷宮或邊緣的封閉墻）時(shí)，在內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層和火中發(fā)現(xiàn)邊界細(xì)胞。
最近的證據(jù)表明，每種類(lèi)型的空間調(diào)諧神經(jīng)元在大鼠出生后的不同天數(shù)成熟。在視覺(jué)系統(tǒng)被環(huán)境線索激活并介導(dǎo)早期歸巢行為之前，頭部方向細(xì)胞最早出現(xiàn)。接下來(lái)逐漸出現(xiàn)位置細(xì)胞和邊界響應(yīng)細(xì)胞，然后在出生后第 21 天出現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)胞。異中心空間導(dǎo)航在這個(gè)時(shí)候發(fā)展，真正的海馬依賴(lài)空間導(dǎo)航與自發(fā)的主動(dòng)探索大約同時(shí)出現(xiàn)，在這個(gè)時(shí)間結(jié)束時(shí)產(chǎn)后第三周。在整個(gè)過(guò)程中，空間記憶可能是分子、細(xì)胞和網(wǎng)絡(luò)水平變化的多層次協(xié)調(diào)的函數(shù)，這些變化在斷奶前后會(huì)聚。
未來(lái)的工作將不得不進(jìn)一步描述特定空間細(xì)胞在空間行為發(fā)展中的作用，以及這些空間細(xì)胞形成的自我中心和異體中心表示究竟是如何相互獨(dú)立的。
空間記憶的行為分析
由于空間記憶在所有動(dòng)物中的根本重要性，空間記憶研究，包括其實(shí)驗(yàn)范式，在模型物種中具有高度的轉(zhuǎn)化性。
交替任務(wù)
T迷宮和Y迷宮利用嚙齒動(dòng)物探索新環(huán)境和尋找食物獎(jiǎng)勵(lì)的自然傾向。迷宮考慮了老鼠雙臂尋找食物時(shí)的交替行為。它被廣泛用于研究空間工作記憶，因此對(duì)海馬區(qū)的病變很敏感。
arm條目的總量和條目的順序用于計(jì)算交替的百分比。交替百分比可用于評(píng)估病變引起的海馬功能障礙、藥物對(duì)空間學(xué)習(xí)和記憶的影響以及用于模擬人類(lèi)神經(jīng)和神經(jīng)精神缺陷的轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知缺陷。在一個(gè)改進(jìn)的T迷宮中，研究人員可以將許多簡(jiǎn)單的T迷宮連接在一起，創(chuàng)建一個(gè)更復(fù)雜的任務(wù)，該任務(wù)可以訪問(wèn)地點(diǎn)學(xué)習(xí)和認(rèn)知映射。
迷宮的優(yōu)點(diǎn)是易于設(shè)置，學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單，對(duì)大鼠的壓力最小。在某些范例中，大鼠必須缺乏食物，這可能是一個(gè)缺點(diǎn)。由于試驗(yàn)通常很短，空間記憶僅由先前試驗(yàn)中的大鼠用來(lái)為食物獎(jiǎng)勵(lì)做出正確選擇，因此迷宮在評(píng)估空間參考記憶(即在任何試驗(yàn)日都有用的信息)方面的價(jià)值有限。
八臂迷宮
八臂迷宮創(chuàng)建于20世紀(jì)70年代中期，是嚙齒動(dòng)物空間記憶的常用行為測(cè)試方法。在整個(gè)迷宮中，嚙齒動(dòng)物必須記住它已經(jīng)為了獎(jiǎng)勵(lì)而訪問(wèn)過(guò)的武器的位置，以及它沒(méi)有搜索過(guò)的武器。因此，八臂迷宮評(píng)估大鼠在迷宮中導(dǎo)航時(shí)的空間記憶，并記住正確和不正確的路徑。
這項(xiàng)任務(wù)需要幾天或幾周的訓(xùn)練，并且不使用遙遠(yuǎn)的視覺(jué)線索來(lái)幫助空間學(xué)習(xí)，如在Morris水迷宮中。迷宮允許研究人員控制幾個(gè)變量，包括隱藏的食物獎(jiǎng)勵(lì)的類(lèi)型、獎(jiǎng)勵(lì)的位置、可能混淆結(jié)果的嗅覺(jué)線索以及保留間隔時(shí)間，保留間隔時(shí)間被定義為信息暴露(目標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)位置)與信息保留測(cè)試之間的時(shí)間。
Morris水迷宮
Morris水迷宮(MWM)是理查德·莫里斯在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的另一種常用任務(wù)，用于評(píng)估嚙齒動(dòng)物的海馬空間學(xué)習(xí)和記憶。與T迷宮或Y迷宮中的二元選擇范式不同，莫里斯水迷宮要求動(dòng)物不斷選擇路線來(lái)尋找獎(jiǎng)勵(lì)。這項(xiàng)任務(wù)的許多方面都來(lái)自海馬體中定位細(xì)胞的活動(dòng)，這些細(xì)胞的活動(dòng)代表了迷宮中的特定位置。
在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中(可能需要幾天時(shí)間)，動(dòng)物在正常情況下會(huì)逐漸找到到達(dá)水下平臺(tái)的更快路線，部分是通過(guò)使用視覺(jué)和其他外部線索。在這個(gè)過(guò)程中，它形成了空間參考記憶，量化為減少的逃逸潛伏期，或找到平臺(tái)所需的時(shí)間，或當(dāng)暴露的平臺(tái)被移除時(shí)在正確象限中增加的搜索。
在評(píng)估與年齡相關(guān)的認(rèn)知下降、海馬結(jié)構(gòu)損傷和藥物對(duì)空間記憶的影響時(shí)，常使用此迷宮。迷宮對(duì)海馬功能障礙特別敏感，表現(xiàn)為該區(qū)域背側(cè)區(qū)域有病變的嚙齒動(dòng)物表現(xiàn)受損。與其他任務(wù)相比，Morris水迷宮有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，即所需預(yù)訓(xùn)練少、無(wú)食物限制、易于使用、學(xué)習(xí)時(shí)間快以及對(duì)線索的靈活控制(包括去除不需要的嗅覺(jué)線索)。此外，動(dòng)物的動(dòng)機(jī)在不同的任務(wù)中是相同的，這與食物為動(dòng)機(jī)的任務(wù)相反，在食物為動(dòng)機(jī)的任務(wù)中，饑餓和飽腹感會(huì)影響結(jié)果。有一些關(guān)于混淆的擔(dān)憂，比如壓力對(duì)表現(xiàn)的影響。
虛擬環(huán)境
虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)在于授予研究人員對(duì)測(cè)試環(huán)境的巨大控制權(quán)，并有可能創(chuàng)造出人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中通常找不到的環(huán)境。在人類(lèi)中，虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)通常與功能性MRI等成像技術(shù)結(jié)合使用。這使得研究人員能夠在受試者通過(guò)虛擬迷宮(如虛擬Morris水迷宮或虛擬八臂迷宮)時(shí)，監(jiān)測(cè)與空間記憶相關(guān)區(qū)域的實(shí)時(shí)活動(dòng)。還可以創(chuàng)建更復(fù)雜的虛擬競(jìng)技場(chǎng)和大規(guī)模世界，以輕松評(píng)估海馬功能。
影響空間記憶的障礙
阿爾茨海默病
阿爾茨海默病(AD)是一種導(dǎo)致空間記憶和一般認(rèn)知功能進(jìn)行性下降的神經(jīng)退行性疾病。該病與一種稱(chēng)為β淀粉樣蛋白的異常蛋白積聚有關(guān)，該蛋白會(huì)形成纏結(jié)(稱(chēng)為神經(jīng)原纖維纏結(jié))，從而導(dǎo)致進(jìn)行性細(xì)胞丟失。海馬結(jié)構(gòu)變性是阿爾茨海默病的早期特征。這些患者逐漸出現(xiàn)空間定向和導(dǎo)航障礙?；蛟SAD和輕度認(rèn)知障礙的最早指標(biāo)之一是脾后皮質(zhì)和內(nèi)嗅皮質(zhì)的功能障礙。通過(guò)人體正電子發(fā)射斷層掃描(PET)測(cè)量，可見(jiàn)這些區(qū)域的活性降低。
AD小鼠模型有助于評(píng)估藥理學(xué)治療策略，并進(jìn)一步了解該疾病病理生理學(xué)背后的機(jī)制。雖然目前還沒(méi)有一種模型完全概括了AD的人類(lèi)癥狀，但目前在小鼠中已存在100多種AD遺傳模型。一般而言，創(chuàng)建這些模型是為了增加淀粉樣前體蛋白(APP)裂解的速率，從而導(dǎo)致淀粉樣β蛋白的積聚，或過(guò)度表達(dá)突變的tau蛋白，從而導(dǎo)致神經(jīng)毒性神經(jīng)原纖維纏結(jié)。
小鼠中最常見(jiàn)的兩種模型是PDAPP模型和TGGRND8模型。兩種模型在Morris水迷宮中均表現(xiàn)出受損的表現(xiàn)，在獎(jiǎng)勵(lì)交替任務(wù)中表現(xiàn)出決策缺陷。
外傷性腦損傷(TBI)
中度至重度創(chuàng)傷性腦損傷與嚴(yán)重且持久的空間記憶缺陷有關(guān)，目前尚無(wú)有效治療方法。TBI與學(xué)習(xí)記憶缺陷以及隨損傷嚴(yán)重程度分級(jí)的執(zhí)行功能一般損傷相關(guān)。創(chuàng)傷性腦損傷可在具有側(cè)向液體撞擊傷和受控皮質(zhì)撞擊的嚙齒動(dòng)物中建模(CCI)。后一種方法是優(yōu)選的，它利用沖擊器向顱骨切除術(shù)后暴露的完整硬腦膜施加精確的力?？烧T發(fā)輕度至重度TBI。
CCI是最容易控制，更準(zhǔn)確，并產(chǎn)生類(lèi)似于在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的TBI。你可以在我們關(guān)于TBI動(dòng)物模型的文章中讀到更多 在中度和重度TBI大鼠中，Morris水迷宮測(cè)量的空間記憶和學(xué)習(xí)障礙是由海馬結(jié)構(gòu)變化(如CA3區(qū)細(xì)胞丟失)以及皮質(zhì)、紋狀體和胼胝體白質(zhì)損傷所致。因此，未來(lái)的治療可能會(huì)選擇性地保護(hù)和恢復(fù)白質(zhì)，以減輕TBI患者的損傷。
精神分裂癥
精神分裂癥是一種多方面的精神疾病，除了其他思維和行為障礙外，其特征還包括空間記憶并發(fā)癥。在人類(lèi)研究中，與健康對(duì)照組相比，精神分裂癥患者在虛擬Morris水迷宮任務(wù)中表現(xiàn)出認(rèn)知障礙。
精神分裂癥的嚙齒動(dòng)物模型包括四類(lèi):發(fā)育模型、藥物誘導(dǎo)模型、病變模型或遺傳操作模型。某些嚙齒動(dòng)物模型復(fù)制精神分裂癥的空間缺陷癥狀，包括在小鼠中注射N(xiāo)MDA拮抗劑(如五氯苯酚或MK-801)、新生海馬損傷或轉(zhuǎn)基因品系(如DISC0-1敲除)。這些小鼠表現(xiàn)出T-迷宮表現(xiàn)缺陷、空間工作記憶受損和空間物體識(shí)別缺陷。
結(jié)論
空間記憶是任何功能正常的動(dòng)物的一個(gè)重要大腦過(guò)程。它受到各種藥物和常見(jiàn)神經(jīng)退行性和神經(jīng)精神疾病的影響?？臻g記憶可以通過(guò)各種方式進(jìn)行評(píng)估，嚙齒動(dòng)物中的許多基于迷宮的任務(wù)有利于動(dòng)物的快速學(xué)習(xí)時(shí)間以及任務(wù)參數(shù)的容易設(shè)置和良好控制。由于其控制任務(wù)環(huán)境的獨(dú)特和靈活的能力，虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)越來(lái)越多地被用于嚙齒動(dòng)物和人類(lèi)，并取得了巨大成功。了解嚙齒動(dòng)物在不同任務(wù)條件下空間記憶的神經(jīng)和行為相關(guān)性，是了解某些疾病和藥物如何影響人類(lèi)空間記憶的有效跳板。
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