Science：新研究揭示较大环境中哺乳动物大脑的空间编码

2021年5月31日讯/生物谷BIOON/---大脑经常被比作一台电脑，它的硬件由组装在复杂回路中的神经元组成；它的软件是管理神经元行为的大量编码。但有时，即使大脑的硬件似乎不足以完成任务，它也会表现得异常出色。例如，尽管大脑的空间感知回路似乎适合代表更小的区域，但是人类和其他哺乳动物如何设法在大规模环境中导航的，这一直是个谜。

在一项新的研究中，来自以色列魏兹曼科学研究所的研究人员通过跳出实验框框思考，解决了这个难题。通过将一种不寻常的研究模型---果蝠（fruit bat）---与一个不寻常的环境---200米长的蝙蝠隧道---相结合，他们成功地揭示了一种新的感知空间的神经编码。相关研究结果发表在2021年5月28日的Science期刊上，论文标题为“Multiscale representation of very large environments in the hippocampus of flying bats”。

蝙蝠和其他哺乳动物在自然界非常大的环境中导航。在一个晚上，一只蝙蝠可以覆盖一个长约20公里、宽2公里、高半公里的区域。这与构成传统实验设置的一平方米的箱子非常不同。这些作者明白，为了获得更接近自然的空间感知，他们必须设置更大的空间---他们假设，规模上的差异应该转化为神经元活动的差异。

为了验证这一假设，这些作者在魏兹曼科学研究所建造200米长的蝙蝠隧道--一个细长的、不透明的温室，这是世界上第一个建造这样的地方。

这些作者表示，尽管他们的隧道不是确切的20公里长，但200米仍然大大超过了许多科学家们迄今为止所能研究的范围。此外，他们开发出一种微型神经记录器装置（miniature neural logger device），该装置安装在蝙蝠的头上，用于记录它们海马体中神经元的飞行活动，其中海马体是负责记忆存储的大脑区域，包括空间记忆。这些作者还安装了一系列天线，提供比GPS更精确的定位能力，而GPS是追踪在隧道内飞行的蝙蝠所必需的。基于此，他们如今能够在一种更好地模拟其自然行为的环境中研究他们的飞翔对象。

这项新研究的发表具有象征意义。在50年前，John O'Keefe发现了位置细胞（place cell），这一发现在2014年为他赢得了诺贝尔生理学或医学奖。位置细胞是海马体中的特殊神经元，当实验动物进入所在环境中的一个称为位置野（place field）的特定空间时，每个位置细胞都被发现激活。许多位置细胞的联合激活建立了一个环境的内部地图，使导航成为可能。然而，在此之前，O'Keefe和其他人的研究工作是在小环境（比如一米见方的箱子）中开展的，因此动物海马体中的位置细胞可以容纳所需数量的位置野，每个位置野对应的区域直径约为10厘米。如果动物海马体中的每个位置细胞确实代表了环境中的一个单一的小空间，那么蝙蝠就需要大约1013-1015个神经元来对其多公里的飞行路线进行正确的计算，但它们的海马体只有大约105个神经元，但它们仍然能够导航。

较大环境下的多尺度海马体空间编码，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abg4020。

综上所述，这些作者对在较长隧道（200米）中飞行的野生果蝠的海马体背侧CA1神经元进行无线记录。位置野的大小从0.6米到32米不等。单个位置细胞表现出多个位置野和多尺度表示。同一神经元的不同位置野大小可相差达20倍。这种多尺度编码从接触环境的第一天起就被观察到了，在实验室出生的从未经历过较大环境的蝙蝠也是如此。理论解码分析表明，多尺度编码允许以比其他编码高得多的精度表示非常大的环境。因此，通过增加空间尺度，他们发现了一种与经典的位置编码（place code）完全不同的神经代码（neural code）。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Tamir Eliav et al. Multiscale representation of very large environments in the hippocampus of flying bats. Science, 2021, doi:10.1126/science.abg4020.

Emma R. Wood et al. Navigating space in the mammalian brain. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi9663.