在进行语言交流,认知学习,抽象思维和决策时,大脑需对相关的信息进行短暂记忆并处理,这一过程我们称之为工作记忆(working memory)。工作记忆是大脑的一项十分重要的功能,在对信息储存的同时又对之进行加工,并且根据一定的规则将不同时间接收到的信息进行对比整合并形成新的指令。在灵长类动物的前额叶皮层发现,在工作记忆过程中,神经元可表现出持续的放电活动,失活前额叶皮层可导致动物的工作记忆能力变差。以往大部分的工作记忆研究,大都在高等灵长类动物上开展,并局限于对单一感觉信息的记忆和比对(如对视觉刺激的颜色和形状等的记忆)。但是目前我们并不清楚,前额叶皮层神经元是否可以以及如何参与(whether and how)到对跨模态信息的工作记忆?本论文以大鼠为动物模型,采用多通道电生理神经信号记录以及光遗传技术,深入研究了内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex,mPFC)在动物完成视-听空间信息延迟匹配任务(delayed match to sample task,a typical task for testing working memory)时的功能,深入分析了mPFC神经元在视-听跨模态工作记忆过程中的放电表现。在完成任务过程中,动物需要记住视觉刺激出现的方向(左或右),并与随后出现的听觉刺激的方向进行比对,并做出判断。研究结果显示,mPFC对完成这个任务至关重要,如果在记忆的过程中(第一个刺激和第二个刺激之间的时间段),用光遗传的方法失活mPFC(在五只动物上完成),可极大地下降动物完成工作记忆的成绩;研究同时又显示,如果失活发生在听觉刺激的呈现期,也可显著降低完成任务的正确率,提示前额叶皮层可能也在感觉信息的比较和决策方面起重要作用。20只大鼠用于电生理研究,共记录到了531个和任务相关的神经元,发现在对视觉空间信息短暂记忆的过程中,超过一半的(68%,361/531)神经元有着持续性地放电活动,这一结果与以往在灵长类动物上所记录到的结果类似;同时我们发现,它们中的大部分(73%,264/361),其持续性的放电活动携带着重要的信息——即关于视觉刺激方位的判断;并非所有在信息记忆期持续放电的神经元可对视觉刺激反应,暗示在完成工作记忆过程中,不同的神经元可能发挥着不同的功能;大部分(82%,230/281)对视觉刺激反应的神经元中,其视觉反应有着明显的方向偏好性。研究进一步发现,在决策期间(可能同时也包含听觉刺激的出现),将近一半左右的神经元(52%,274/531)表现出明显的放电活动,大部分(68%,185/274)神经元的活动可以反映或编码视-听空间信息的一致性(即先后出现的视、听刺激是否来自于同一方位)。这些结果显示,前额叶神经元在完成工作记忆任务的过程中,不仅可以短暂存储相关信息,也可形成决策指令。论文研究成功建立了大鼠跨模态工作记忆任务模型,发现了在工作记忆过程中,在低等动物的前额叶皮层区也存在着如高等动物相关脑区神经元的放电模式。这些研究拓展了我们对工作记忆神经机制的理解,可为今后建立与记忆相关的疾病模型提供重要实验依据,为相关药物测试提供了一个很好的行为任务范式。