Neuron | 毛盾等揭示自由活动猕猴海马区的空间表征特性
日常生活中，时间在连续地变化，我们所处的空间也随着我们的活动在连续地改变。我们每天所经历的事情都可以对应到时空维度上，即事情所发生的时间和地点。比如，今天上午从家到单位路上的某处发生了什么事情。那么，大脑如何时刻追踪我们所处的空间，以形成对每天经历事件的一种连续记忆呢？要解答这一问题，我们需要了解一下大脑中与空间导航和记忆相关的核心脑区之一—海马区。
2014年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了John O’Keefe, May-Britt Moser和Edvard I. Moser，以表彰他（她）们在大鼠海马和内嗅皮层中分别发现了对空间位置特征有选择特异性的“位置细胞”和“网格细胞”。这些神经元的活动对动物所处位置有非常精确而又规则的选择性，在环境中形成了类似于地图的编码，即“认知地图”。大鼠上的这一发现在灵长类动物上是否保守还不得而知。针对灵长类动物的研究绝大多数在头部固定行为范式下进行，主要在虚拟环境中研究海马区的空间表征特性。但是，基于虚拟现实的空间表征是否与真实环境中的一致，仍存在争议。
2021年10月12日，纽约大学Dora E. Angelaki和毛盾（共同通讯和第一作者，现为中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员）合作在Neuron上发表了文章Spatial modulation of hippocampal activity in freely moving macaques，展现了自由活动猕猴海马区神经活动对空间信息的表征特性。
为了研究灵长类动物海马区对真实环境空间信息的表征特性，作者开发了一套新的实验范式。研究人员训练猕猴在一个开放旷场中进行自由觅食，同时结合精准的运动捕捉，无线眼动记录和无线电生理技术，来研究猕猴海马区（包括海马、内嗅、下托）神经元和场电位活动与各种空间信息的关联性。
作者的实验研究表明，与啮齿类动物相比，猕猴的场电位活动并没有呈现运动过程中的持续θ振荡。偶尔发生的较低频段θ振荡（小于5Hz）与运动起始相关，与β振荡形成鲜明对比。同时，低频θ和β振荡频率与运动速度和加速度都紧密相关。在神经元层面，与大鼠类似，猕猴海马区神经元发放非常稀疏，总体发放频率呈现对数正态分布。下托区神经元发放呈现相对较低的稀疏性。传统的分析方法显示，猕猴海马区神经元活动对多种空间信息呈现选择特异性的发放活动（即调谐特性），包括水平位置、水平头朝向、平移运动速度等，且部分神经元活动能同时编码多种空间信息。但是，网格编码非常微弱，这点与大、小鼠的结果形成鲜明的对比。
然而，传统的分析方法有一些问题，其一是忽略了各种空间变量之间可能存在的相互依赖关系，导致所发现的对某个变量的调谐或许是假阳性：若两个变量彼此相关，那么调谐特性则有可能反映了对另一个并未考虑到的变量的更强调谐，并非是对当下单一变量的调谐。因此，研究人员采用了一个稳健的基于模型的分析方法，同时考虑以下多种变量对神经元活动的共同影响。这些变量包括水平位置、面向位置（头指向的环境中位置，3D变量）、相对于环境边界的距离和角度、相对于重力轴的头倾斜角度、头旋转速度、头部高度、平移运动速度、以及水平头朝向角度。研究人员观察到海马区神经元对所有变量都有一定程度的调谐。在所有亚区（海马、内嗅、下托）中，神经元对面向位置有最强的编码。与大、小鼠类似，下托神经元对水平头朝向有较强编码。而水平位置编码相对较弱，这点与大、小鼠的结果形成较大反差。此外，猕猴对各类空间信息的编码在其海马长轴（从前端到后端）有一定的拓扑特征，混合编码从前端到后端也有一定增强。总体而言，空间表征呈现出多样性，神经元集群编码的范围覆盖了广阔的空间。
研究人员进而比较了神经元对猕猴面向位置和眼睛所看位置的调谐特性。对头部相关变量和眼动信息的同步分析显示，大部分神经元活动反映了对面向位置而不是眼睛看的位置的编码，这个结果与其他研究组的发现形成反差。这有可能是因为，与该项工作不同，在其他研究组的工作中，猕猴的头部并不能在三维空间自由平移或转动。类似地，对水平朝向角度的编码主要反应了对头部而不是眼睛所看方向的表征。研究人员也发现了海马区神经活动与眼球转动有强烈相关性。其中，眼睛扫视对海马区神经元和场电位有较强的调节：神经元活动对应于扫视发生时刻形成序列性发放；场电位θ频段能量与眼睛扫视幅度呈现较强的正相关。
上述研究展现了自由活动猕猴海马区神经活动对空间信息的表征特性。在论文的讨论部分，作者详细探讨了该灵长类物种海马区空间表征的特殊性、与其他物种的比较以及该研究的一些局限性。该项工作只是一个开始，作者希望该工作可以为后续相关研究提供一定的参考。后续有更多更有意思的问题需要去研究。作者实验室未来的工作将以猕猴为实验对象，从以下三方面展开：1）不同环境和任务对多脑区空间表征的影响；2）虚拟现实和真实环境下空间表征的比较；3）真实空间和抽象空间表征的相通性。
毛盾研究组目前正在招聘博士后和研究助理，欢迎感兴趣的同学联系。详情请见实验室主页：http://www.cebsit.cas.cn/yjz/md/yjfx/。
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