认知行为的产生依赖于大脑在不同时间尺度上的运作，但毫秒级的神经元动作电位活动如何支持秒级的工作记忆（Working Memory, WM）等复杂认知功能，一直是神经科学的未解之谜。

张晓醒、李澄宇等利用近期发展的Neuropixels高密度神经电极技术，对执行嗅觉工作记忆任务的小鼠进行了大规模、多脑区的神经元活动同步记录，以揭示其背后的神经活动组织原则。本研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、上海脑科学与类脑研究中心、临港实验室合作完成，论文发表在《神经科学通报》（Neuroscience Bulletin）上。

研究发现，编码特定嗅觉信息的“记忆神经元”广泛分布于全脑62个区域。这些神经元的激活模式多为短暂的（短于工作记忆延迟期），但它们的群体序列性激活形成了覆盖整个记忆延迟期的“活动波”。这种序列活动与小鼠的记忆任务正确率密切相关。深入分析后研究人员发现，这种宏观活动波在更微观的层面、毫秒尺度，可以表现为神经元间“耦合动作电位”（Spike Coupling, SC），即具有方向性的依次放电。这种耦合发放在被相同记忆信息激活的“一致性”记忆神经元配对之间更频繁出现，其频率能够有效解码记忆信息，并关联到行为的正确性。

进一步研究发现，这些耦合动作电位可以进一步组装成更复杂的神经活动单元。其中包括由多个神经元依次连接而成的“活动链”，以及形成闭环回路的“单元活动环”。这些活动单元比单个耦合动作电位具有更长的持续时间。并且，这些活动链和活动环通过共享神经元，可以融合成结构更复杂的“嵌套环路”。由此，研究揭示了一个从耦合动作电位到活动链、活动环，再到嵌套环路的分层组织结构。在这种多层级模式中，神经活动单元的复杂性、参与的神经元数量和活动持续时间都逐级递增，为维持长达数秒的工作记忆活动波提供了潜在的神经环路机制。

值得注意的是，这些与工作记忆紧密相关的多层级活动单元表现出“重放”（Replay）特性。它们不仅在需要维持记忆的延迟期被激活，在行为任务开始前、结束后以及试次（trial）间的休息期（Inter-trial-interval，ITI），也会被自发地、反复地重新激活。此外，研究确认海马体和前额叶皮层的神经元在这些活动单元的构成、整合及重放中扮演了关键角色。

综上所述，该研究描绘了一幅丰富的全脑动态图景：毫秒级的动作电位活动通过多层次组织形成多样的神经活动单元，这些单元在工作记忆任务期间按需调用，并在非任务期间进行“重放”，从而为秒级的工作记忆神经活动提供支持。这一发现为理解大脑如何跨越时间尺度整合信息、维持认知功能提供了新的见解。

工作记忆特异性的多脑区动作电位序列层级重放

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-025-01524-y