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Science:揭示大脑空间认知图谱如何应对变化的环境

来源:本站原创 2018-03-13 07:06

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2018年3月13日/生物谷BIOON/---我们在世界进行导航和形成情景记忆的能力依赖于准确地呈现我们的周围环境。这种认知地图(cognitive map)被认为存在于大脑的海马体中,为我们提供在熟悉的地方找到路和将我们在日常生活中经历的事件储存起来所需的灵活性。

位置细胞(place cell)、头向细胞(head-direction cell)、边界细胞(boundary cell)和网格细胞(grid cell)被认为构成这个神经定位系统或者说大脑的“全球定位系统(GPS)”的主要单元。位置细胞识别当前位置,头向细胞提供关于方向的类似指南针的信息,并且边界细胞测量与诸如围框(enclosing box)的墙壁之类的地标之间的距离。由于在标准对称环境(比如环境的边界是正方形或圆形的)中的周期性放电模式,网格细胞传统上被认为表示大脑的空间度量系统或者说这种GPS系统的坐标,而位置细胞和边界细胞起着稳定这种空间坐标的作用。 如今,在一项新的研究中,来自英国剑桥大学和伦敦大学学院的研究人员探究了改变这种围框的形状对这些空间认知地图的影响,详述了我们的认知地图如何适应变化的环境,并阐明了如何不同类型的神经元如何连接在一起来形成这些认知地图。相关研究结果发表在2018年3月9日的Science期刊上,论文标题为“Local transformations of the hippocampal cognitive map”。论文通信作者为剑桥大学的Julija Krupic。
图片来自Sainsbury Wellcome Centre。

在此之前,论文通信作者Krupic和她的同事们已证实边界能够影响网格细胞的对称性,但是并不明确的是它们是如何做到这一点的。在当前的这项研究中,他们记录了当大鼠在具有不同形状和边界的环境(如围框)中寻找食物时,它们的海马体中的一个被称作内嗅皮层(edial entorhinal cortex)的区域中的网格细胞。他们发现靠近变化的围框墙壁的网格细胞比那些距离更远的网格细胞迁移得更多:网格细胞作出的调整并不是同质的。

Krupic说,“这是一个令人兴奋的发现,这是因为极化环境中的对称模式丢失可能意味着网格细胞不提供认知地图的空间度量。我们意识到它们仍然可以做到这一点,不过仅当它们大致以同样的方式对变化的围框墙壁作出反应。我们研究了这种可能性,并且证实确实如此。”论文共同作者、伦敦大学学院塞恩斯伯里惠康中心的Marius Bauza使用了一种前沿的Neuropixels探针大量采集的同时记录的网格细胞数据集,并进行解码计算以便观察一种计算机程序是否能够基于变化的网格状线准确地鉴别大鼠的位置,“我们想看看大脑的其他部分是否仍然可以使用这些变化的网格状线,并确实发现情况就是这样。我们不知道它确实如此,但这肯定是可能存在的。”

为了阐明网格细胞、位置细胞和边界细胞之间的相互作用的机制,这些研究人员也记录了大脑海马体中的一个被称作CA1的区域内的位置细胞,在某些情况下还同时记录网格细胞。然而,一个流行的观点是这些位置细胞的放电场是由几个网格细胞的相互作用形成的。然而,在当前的这项研究中,他们发现虽然位置细胞也经历相似的与移动的围框墙壁相关的迁移模式,但迁移的大小并不与网格细胞显著相关,这表明虽然某些位置细胞可能与网格细胞相互作用,但是其他的位置细胞则不会,而且看起来边界细胞也存在着更复杂的的关系。

论文资深作者、伦敦大学学院的John O'Keefe在结论中评论到,“针对海马体中的这些空间细胞呈现环境和它们的相互作用形成我们的认知地图的方式,我们仍然有很多东西需要了解。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

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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