刷新诺奖研究！为什么你不是路痴？答案又多了一个

图片来源：Rice University

大脑是怎样实现“认路”这个功能的？英国、挪威科学家曾在海马体中发现“位置细胞”，并藉此荣获2014年诺贝尔生理学或医学奖。近期，阿姆斯特丹大学研究人员发现另一种神经细胞也扮演了关键角色，在认路过程中，其反应甚至比先前发现的位置细胞更频繁。相关研究于2017年5月26日发表于 Nature Communications。

翻译  费尔顿

审校  夏烨

编辑  张士超

由阿姆斯特丹大学（the University of Amsterdam）的研究人员 Jeroen Bos、Martin Vinck 和 Cyriel Pennartz 负责的国际研究团队鉴别出一类新型神经元，它可能对人类的环境导航能力至关重要。这一重要发现，有助于我们理解大脑如何在较大空间内编码导航行为，同时也可能为阿尔茨海默病患者等地形定向能力受损者提供新的治疗方案。该团队的研究结果发表在 Nature Communications 上。

每天，地球上都有数十亿人自如穿行于大街小巷，上学、上班、回家等等。这些行程通常无须费神规划，因为人们主要靠大脑对环境的综合了解，估计自己所在的位置。能准确判断位置的脑区域位于颞叶内侧的海马（形如其名）。先前研究发现，参与导航的精确机制涉及海马位置细胞（place cell），该神经元会根据所在位置增强或减弱脑电活动。但在日常通勤中，人们不需要把自己走过的每一个建筑都一板一眼按顺序记下来，而是更倾向于根据路线信息做出正确决定。在博物馆处左转，沿着那条路往前走，看见超市后再右转——这就是地形定向。

研究人员以现有研究为基础，继续探究大脑在大尺度空间内编码定位信息的方法，并检验该过程是否确实发生在颞叶内的不同部位。他们的方法是：训练大鼠，让它们在“8”字形的迷宫中执行视觉导航任务（该迷宫由两个中间部分重叠的闭环通道构成）。

迷宫示意图：红色段为砂纸，PNR 为单向门，白点为奖励，两侧同道上方各有一块标识牌。图片来源：论文原文

实验过程中，研究者用一种新型仪器来监测大鼠的脑电活动，该仪器可以同时记录四个部位的多组神经元活动。这四个部位包括嗅周皮层（perirhinal cortex）、海马以及两个感觉区。嗅周皮层的监测记录显示，该区域一直处于活动状态。大鼠在迷宫中位置发生变化时，鼻周皮层脑电活动强度起伏明显，且在迷宫各处中都是如此。

“我们发现，嗅周皮层中的反应与脑中其他部位有显著差异，” 该文章的第一作者、阿姆斯特丹大学斯旺默丹生命科学研究所（UvA's Swammerdam Institute for Life Sciences）的 Jerome Bos 表示，“嗅周皮层的神经元所表现出的变化会一直持续到大鼠跑完整段通道。不同的是，海马位置细胞只在部分区段出现反应，且这些区段在迷宫中所占比例很小。我们惊奇地发现，嗅周皮层的反应与迷宫的布局对应得严丝合缝，这主要是因为嗅周皮层通常与目标识别相关。”

大鼠在迷宫中位置发生变化时，嗅周皮层脑电活动强度起伏明显，且具有左右选择性。海马位置细胞只在一小部分区段出现反应。

这可能是一类新型神经元，该团队将其暂命名为“邻域细胞”（neighbourhood cell）。这种神经元使大脑能够明确分辨身处环境中的不同区域，即“邻域”。

除了让人们首次窥见大脑如何在大尺度空间内编码导航行为，该团队的研究结果还可能惠及空间定向能力受损者。研究人员还将嗅周皮层编码的大尺度空间导航，与海马编码的小尺度空间导航进行了对比。

“众所周知，阿尔茨海默病患者和颞叶受损的人认路有很大困难，距目的地较远时尤为严重，”该项目的合作研究者、认知系统与神经学教授 Cyriel Pennartz 解释道，“尽管这是一项新发现，但我们的发现与之前的相关文献并不冲突，比如，一个从业多年的伦敦出租车司机在海马受损后，还能在伦敦城内开车载客，但却非常依赖主路导航，一开边道就很容易迷路。这可能是因为他还能用嗅周皮层进行整体定位，但负责在道路窄、分布密集的地方导航的区域却已经失效，而该区域通常就位于海马中。”

该研究不仅为大脑在不同尺度空间下的导航机制提供了新洞见，还可能帮助阿尔茨海默病等疾病患者。对这些患者来说，虽然受疾病影响最严重的导航区域已经失效，但依旧有其他空间定向策略可供选择。这些结果表明，可以将嗅周皮层作为治疗对象。另外，该研究亦有助于神经细胞替代装置与辅助机器人的研发。

原文链接：https://medicalxpress.com/news/2017-05-gps-neuron.html

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 论文基本信息

【题目】Perirhinal firing patterns are sustained across large spatial segments of the task environment

【作者】Jeroen J. Bos, Martin Vinck, Laura A. van Mourik-Donga, Jadin C. Jackson, Menno P. Witter & Cyriel M. A. Pennartz

【期刊】Nature Communications

【日期】26 May 2017

【DOI】10.1038/ncomms15602

【地址】

https://www.nature.com/articles/ncomms15602

【摘要】

Spatial navigation and memory depend on the neural coding of an organism’s location. Fine-grained coding of location is thought to depend on the hippocampus. Likewise, animals benefit from knowledge parsing their environment into larger spatial segments, which are relevant for task performance. Here we investigate how such knowledge may be coded, and whether this occurs in structures in the temporal lobe, supplying cortical inputs to the hippocampus. We found that neurons in the perirhinal cortex of rats generate sustained firing patterns that discriminate large segments of the task environment. This contrasted to transient firing in hippocampus and sensory neocortex. These spatially extended patterns were not explained by task variables or temporally discrete sensory stimuli. Previously it has been suggested that the perirhinal cortex is part of a pathway processing object, but not spatial information. Our results indicate a greater complexity of neural coding than captured by this dichotomy.

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