Science：揭示大腦空間認知圖譜如何應對變化的環境

我們在世界進行導航和形成情景記憶的能力依賴於準確地呈現我們的周圍環境。這種認知地圖（cognitive map）被認為存在於大腦的海馬體中，為我們提供在熟悉的地方找到路和將我們在日常生活中經歷的事件儲存起來所需的靈活性。

位置細胞（place cell）、頭向細胞（head-direction cell）、邊界細胞（boundary cell）和網格細胞（grid cell）被認為構成這個神經定位系統或者說大腦的「全球定位系統（GPS）」的主要單元。位置細胞識別當前位置，頭向細胞提供關於方向的類似指南針的信息，並且邊界細胞測量與諸如圍框（enclosing box）的牆壁之類的地標之間的距離。由於在標準對稱環境（比如環境的邊界是正方形或圓形的）中的周期性放電模式，網格細胞傳統上被認為表示大腦的空間度量系統或者說這種GPS系統的坐標，而位置細胞和邊界細胞起著穩定這種空間坐標的作用。 如今，在一項新的研究中，來自英國劍橋大學和倫敦大學學院的研究人員探究了改變這種圍框的形狀對這些空間認知地圖的影響，詳述了我們的認知地圖如何適應變化的環境，並闡明了如何不同類型的神經元如何連接在一起來形成這些認知地圖。相關研究結果發表在2018年3月9日的Science期刊上，論文標題為「Local transformations of the hippocampal cognitive map」。論文通信作者為劍橋大學的Julija Krupic。

圖片來自Sainsbury Wellcome Centre。

在此之前，論文通信作者Krupic和她的同事們已證實邊界能夠影響網格細胞的對稱性，但是並不明確的是它們是如何做到這一點的。在當前的這項研究中，他們記錄了當大鼠在具有不同形狀和邊界的環境（如圍框）中尋找食物時，它們的海馬體中的一個被稱作內嗅皮層（edial entorhinal cortex）的區域中的網格細胞。他們發現靠近變化的圍框牆壁的網格細胞比那些距離更遠的網格細胞遷移得更多：網格細胞作出的調整並不是同質的。

Krupic說，「這是一個令人興奮的發現，這是因為極化環境中的對稱模式丟失可能意味著網格細胞不提供認知地圖的空間度量。我們意識到它們仍然可以做到這一點，不過僅當它們大致以同樣的方式對變化的圍框牆壁作出反應。我們研究了這種可能性，並且證實確實如此。」論文共同作者、倫敦大學學院塞恩斯伯里惠康中心的Marius Bauza使用了一種前沿的Neuropixels探針大量採集的同時記錄的網格細胞數據集，並進行解碼計算以便觀察一種計算機程序是否能夠基於變化的網格狀線準確地鑒別大鼠的位置，「我們想看看大腦的其他部分是否仍然可以使用這些變化的網格狀線，並確實發現情況就是這樣。我們不知道它確實如此，但這肯定是可能存在的。」

為了闡明網格細胞、位置細胞和邊界細胞之間的相互作用的機制，這些研究人員也記錄了大腦海馬體中的一個被稱作CA1的區域內的位置細胞，在某些情況下還同時記錄網格細胞。然而，一個流行的觀點是這些位置細胞的放電場是由幾個網格細胞的相互作用形成的。然而，在當前的這項研究中，他們發現雖然位置細胞也經歷相似的與移動的圍框牆壁相關的遷移模式，但遷移的大小並不與網格細胞顯著相關，這表明雖然某些位置細胞可能與網格細胞相互作用，但是其他的位置細胞則不會，而且看起來邊界細胞也存在著更複雜的的關係。

論文資深作者、倫敦大學學院的John O"Keefe在結論中評論到，「針對海馬體中的這些空間細胞呈現環境和它們的相互作用形成我們的認知地圖的方式，我們仍然有很多東西需要了解。」

參考資料：

Julija Krupic, Marius Bauza, Stephen Burton et al. Local transformations of the hippocampal cognitive map. Science, 09 Mar 2018, 359(6380):1143-1146, doi:10.1126/science.aao4960

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