大腦GPS不僅僅可用於導航

近期普林斯頓大學研究者在自然雜誌發文稱，創建對應於真實環境的腦內地圖的大腦部分同樣對記憶和學習有重要作用。

研究者發現神經激發的順序與小鼠學習聲音頻率與獎勵之間的關係的活動一致。左部橙色線為幾秒內一組神經元隨著小鼠壓放拉杆而產生的神經活動。右部顯示了單個細胞(標號1到9)依次激活表示了拉杆的壓放。

普林斯頓分子生物學教授和普林斯頓神經科學研究所負責人David Tank說道：「近40年的研究表明，大腦的某個區域與空間導航相關。我們發現該區域在導航時不僅與空間環境有關，而且認知相關。」

1970年代起研究者就認識到大腦中的海馬體在小鼠在環境中移動時會變得活躍，此外另有相關工作證實當動物到達特定位置時附近的內嗅皮層也會激發，由此研究者發現大腦會創建外部世界的內部表示——一種腦內定位系統——能告訴動物所在位置。三位科學家根據這些發現榮獲了2014年的生理學或醫學諾貝爾獎。

最近，普林斯頓大學研究者發現探索不同類型的環境時大腦中的激活區域與聽聲音時的一樣。研究者對小鼠的神經活動進行了監控，發現對特定聲音的響應模式與在環境中探索時的十分相似。

該研究對長久以來神經科學中的謎題進行了分析，即海馬體是如何既與創建外部環境的地圖相關，又與形成新記憶有關。海馬體受損的人，比如名字縮寫為H.M.的參與五十多年研究直至2008年逝去的失憶病人，缺乏形成新記憶的能力。

論文第一作者Dmitriy Aronov在仍是普林斯頓神經科學研究所的博士後研究生之時就主導了該項工作，現在已是哥倫比亞大學神經科學助理教授，他提到在早先研究中，科學家對海馬體細胞的點活動進行了監控，發現其中細胞依次激發表示動物位置、動物頭部朝向、行進方向以及邊界的所在，「問題就是，這些激發模式與記憶的關係是什麼？」

研究者推斷或許共同構建腦內地圖的海馬體和內嗅皮層事實上並非專門針對地圖本身，而是涉及到更一般性的認知任務，地圖創建只是更大的包含學習和記憶的認知任務中的一個方面。先前的研究中只發現了與定位有關的任務或許是因為小鼠在搜尋食物的過程中大部分時間都用在了探索環境上。

通過賦予小鼠不同的任務，比如尋找聲音，研究者也許能在海馬體-內嗅區迴路中發現認知活動的相關證據。研究者選擇聲音類比空間是因為兩者隨時間的變化均可能較大：小鼠聆聽頻率不斷增長的聲音就像是在長長的走廊中行進。

訓練老鼠使他們壓下拉杆並在聲音頻率增大到特定範圍時鬆開

為了測試提出的理論，研究者對小鼠海馬體和顳葉內部的內鼻區的神經元電活動進行了監控，同時小鼠操作聲音，學習特定頻率的聲音與獎勵的關聯。Tank和Aronov與2018級本科生Rhino Nevers一起進行了該項實驗。他們首先教小鼠按下拉杆調高通過揚聲器播放聲音的音高或者頻率。小鼠學到了如果在聲音頻率達到特定範圍內鬆開拉杆，他們就將得到獎勵。

研究團隊對小鼠在該任務中行為對應的神經元激發模式進行了觀察。神經活動的產生順序與小鼠聽到的聲音頻率的增加一致，類比於在空間中移動產生的順序。甚至針對特定的聲音頻率還有相應的模式，並且這些激發模式中的神經元與建圖和導航中的相同。這些細胞包括海馬體位置細胞，如此相稱是因為小鼠在特定位置時該細胞會激發，以及內嗅區的網格細胞，這種細胞在小鼠經過六邊形頂點位置時會激發。

Tank說道：

上述發現表明在海馬體-內嗅區系統中存在一種通用的機制，可以代表多種類型的任務，根據我們的工作可以推斷這些大腦區域並非專門為定位而生，而是能代表動物經歷中與之相關的特徵。當這些特徵連續出現時，就會產生順序的神經激發。

Aronov說道:

從學習新地點、形成經歷的新記憶的角度來看待環境建圖，這一發現與之相符。當你訪問一個新的地點，你不僅建立了一個腦內地圖，還形成了所在位置的新的記憶。我們感覺本研究解決了海馬體表示記憶和位置的謎題，因為事實上這些神經元是通用型的神經元，能夠表示任何與之相關的信息。

[CliffBao via phys]

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