Science：新研究揭示大脑如何形成环境地图的机制

清晨，当你走进厨房时，你很容易确定自己的方向。为了煮咖啡，你会走近一个特定的位置。也许你会走进储藏室，快速吃点早餐，然后走向汽车，驶向工作地点。

来自美国贝勒医学院、斯坦福大学和合作机构的神经科学家对这些看似简单的任务是如何完成的非常感兴趣。为此，他们在一项新的研究中揭示一种介导动物如何在环境中移动的脑细胞水平机制，大大提高了人类对这一过程的理解。相关研究结果发表在2024年3月1日的Science期刊上，论文标题为“Retrograde endocannabinoid signaling at inhibitory synapses in vivo”。

论文共同第一作者兼论文通讯作者、贝勒医学院神经学助理教授Barna Dudok博士说，“众所周知，动物和人类之所以能在环境中找到自己的方向，要归功于海马体，它是一个大脑区域，能形成一种表征，一种环境地图，让我们知道自己身在何处。”

海马体中的无数脑细胞或是神经元共同绘制出一个特定环境（比如你家的厨房）的地图。科学家们知道，这些称为位置细胞（place cell）的神经元只有在环境中的特定位置才会被激活。例如，咖啡壶的位置会激活一个位置细胞，而储藏室会激活另一个位置细胞。

Dudok说，“位置细胞能帮助一个人知道自己在哪里。当一个人走过环境中的一个特定区域时，特定的位置细胞会被激活，当他移动到另一个区域时，其他位置细胞也会被激活。在这项新的研究中，我们以小鼠为研究对象，展示了当它们在环境中确定自身的方向时，在神经元水平上会发生什么变化。具体来说，我们证实了一种叫做内源性大麻素（endocannabinoids）的分子信使在位置细胞活动中的作用。”

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adk3863

当海马体中的位置细胞被激活时，它们会释放内源性大麻素，这是一种脂质，类似于脂肪的分子，可以介导一个神经元与下一个神经元之间的交流。

Dudok说，“在此之前，关于内源性大麻素如何发挥作用的所有细节都是在大脑切片中描述的。在这项新的研究中，我们首次在活体动物体内高分辨率记录了这些信号的活动过程。”

这些作者利用一种能将内源性大麻素信号转化为荧光的分子工具和显微镜，对小鼠在跑步机上跑步时的大脑进行成像。

Dudok说，“当我分析这些图像时，我意识到一些可被检测到的内源性大麻素信号在小鼠位置移动时就会发生变化，这让我受益匪浅。我研究这个信号通路已经有很长一段时间了，它一直是我们可以从大脑切片上发现的东西。能够真正看到它在活动动物的大脑中发生，这让我非常兴奋。”

令人吃惊的是，激活的单个位置细胞会释放内源性大麻素，而且这一信号会在几秒钟内消失。Dudok说，“以前，人们猜测这将是一种扩散到各种细胞的缓慢信号，但现在看来，这是一种快速信号，对单个细胞非常特异，有助于提高其编码动物位置信息的能力。”

这些作者发现，通过消除神经元中的内源性大麻素受体来破坏这一机制，也会破坏海马体中帮助动物了解自身位置的回路，从而使海马体形成的地图准确性降低，这证明了内源性大麻素信号在动物定位中的重要性。

这项新的研究对人类神经系统疾病也有影响。Dudok说，“我们的研究团队和其他研究团队早些时候已发现，癫痫发作会触发内源性大麻素的释放。我们想了解这是否会导致癫痫患者的记忆问题。这可能会为预防或恢复癫痫患者内源性大麻素信号通路重组提供新的方法，并有可能改善这种疾病中的认知并发症。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Barna Dudok et al. Retrograde endocannabinoid signaling at inhibitory synapses in vivo. Science, 2024, doi:10.1126/science.adk3863.

Researchers reveal mechanism of how the brain forms a map of the environment
https://medicalxpress.com/news/2024-02-reveal-mechanism-brain-environment.html