揭示大腦空間認(rèn)知圖譜如何應(yīng)對(duì)變化的環(huán)境

我們?cè)谑澜邕M(jìn)行導(dǎo)航和形成情景記憶的能力依賴于準(zhǔn)確地呈現(xiàn)我們的周圍環(huán)境。這種認(rèn)知地圖（cognitive map）被認(rèn)為存在于大腦的海馬體中，為我們提供在熟悉的地方找到路和將我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)歷的事件儲(chǔ)存起來(lái)所需的靈活性。

位置細(xì)胞（place cell）、頭向細(xì)胞（head-direction cell）、邊界細(xì)胞（boundary cell）和網(wǎng)格細(xì)胞（grid cell）被認(rèn)為構(gòu)成這個(gè)神經(jīng)定位系統(tǒng)或者說(shuō)大腦的“全球定位系統(tǒng)（GPS）”的主要單元。位置細(xì)胞識(shí)別當(dāng)前位置，頭向細(xì)胞提供關(guān)于方向的類似指南針的信息，并且邊界細(xì)胞測(cè)量與諸如圍框（enclosing box）的墻壁之類的地標(biāo)之間的距離。由于在標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱環(huán)境（比如環(huán)境的邊界是正方形或圓形的）中的周期性放電模式，網(wǎng)格細(xì)胞傳統(tǒng)上被認(rèn)為表示大腦的空間度量系統(tǒng)或者說(shuō)這種GPS系統(tǒng)的坐標(biāo)，而位置細(xì)胞和邊界細(xì)胞起著穩(wěn)定這種空間坐標(biāo)的作用。 如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自英國(guó)劍橋大學(xué)和倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員探究了改變這種圍框的形狀對(duì)這些空間認(rèn)知地圖的影響，詳述了我們的認(rèn)知地圖如何適應(yīng)變化的環(huán)境，并闡明了如何不同類型的神經(jīng)元如何連接在一起來(lái)形成這些認(rèn)知地圖。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年3月9日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Local transformations of the hippocampal cognitive map”。論文通信作者為劍橋大學(xué)的Julija Krupic。

在此之前，論文通信作者Krupic和她的同事們已證實(shí)邊界能夠影響網(wǎng)格細(xì)胞的對(duì)稱性，但是并不明確的是它們是如何做到這一點(diǎn)的。在當(dāng)前的這項(xiàng)研究中，他們記錄了當(dāng)大鼠在具有不同形狀和邊界的環(huán)境（如圍框）中尋找食物時(shí)，它們的海馬體中的一個(gè)被稱作內(nèi)嗅皮層（edial entorhinal cortex）的區(qū)域中的網(wǎng)格細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)靠近變化的圍框墻壁的網(wǎng)格細(xì)胞比那些距離更遠(yuǎn)的網(wǎng)格細(xì)胞遷移得更多：網(wǎng)格細(xì)胞作出的調(diào)整并不是同質(zhì)的。

Krupic說(shuō)，“這是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)闃O化環(huán)境中的對(duì)稱模式丟失可能意味著網(wǎng)格細(xì)胞不提供認(rèn)知地圖的空間度量。我們意識(shí)到它們?nèi)匀豢梢宰龅竭@一點(diǎn)，不過(guò)僅當(dāng)它們大致以同樣的方式對(duì)變化的圍框墻壁作出反應(yīng)。我們研究了這種可能性，并且證實(shí)確實(shí)如此?！闭撐墓餐髡?、倫敦大學(xué)學(xué)院塞恩斯伯里惠康中心的Marius Bauza使用了一種前沿的Neuropixels探針大量采集的同時(shí)記錄的網(wǎng)格細(xì)胞數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行解碼計(jì)算以便觀察一種計(jì)算機(jī)程序是否能夠基于變化的網(wǎng)格狀線準(zhǔn)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(wǎng)格狀線，并確實(shí)發(fā)現(xiàn)情況就是這樣。我們不知道它確實(shí)如此，但這肯定是可能存在的?！?/span>

為了闡明網(wǎng)格細(xì)胞、位置細(xì)胞和邊界細(xì)胞之間的相互作用的機(jī)制，這些研究人員也記錄了大腦海馬體中的一個(gè)被稱作CA1的區(qū)域內(nèi)的位置細(xì)胞，在某些情況下還同時(shí)記錄網(wǎng)格細(xì)胞。然而，一個(gè)流行的觀點(diǎn)是這些位置細(xì)胞的放電場(chǎng)是由幾個(gè)網(wǎng)格細(xì)胞的相互作用形成的。然而，在當(dāng)前的這項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)雖然位置細(xì)胞也經(jīng)歷相似的與移動(dòng)的圍框墻壁相關(guān)的遷移模式，但遷移的大小并不與網(wǎng)格細(xì)胞顯著相關(guān)，這表明雖然某些位置細(xì)胞可能與網(wǎng)格細(xì)胞相互作用，但是其他的位置細(xì)胞則不會(huì)，而且看起來(lái)邊界細(xì)胞也存在著更復(fù)雜的的關(guān)系。

論文資深作者、倫敦大學(xué)學(xué)院的John O'Keefe在結(jié)論中評(píng)論到，“針對(duì)海馬體中的這些空間細(xì)胞呈現(xiàn)環(huán)境和它們的相互作用形成我們的認(rèn)知地圖的方式，我們?nèi)匀挥泻芏鄸|西需要了解。”