Neuron长文解读：揭秘第一人称视角在空间定位和记忆中作用的神经编码机制
随着手机上的地图app和车载GPS的广泛使用，现代人对于大脑空间导航和记忆的功能使用越来越少，想去哪儿一搜就有好多路线，因此“路盲症”的人也越来越多，然而在没有这些智能软件的年代，“从前慢，车马都慢”，人们总是依靠大脑去记住一条条路和位置，可是人们是如何记住和回忆这些复杂的空间信息呢？这背后的机制是怎样的呢？
空间导航和记忆依赖于神经系统相对于外部世界或相对于主体的、对位置、距离和方向的编码。而位置、网格和方向辨识细胞构成了以外部世界为参考的、非自我中心的认知地图的关键，但对于人类以自我为中心的空间编码的神经基础仍然知之甚少。
近日，美国哥伦比亚大学的Joshua Jacobs团队和德国弗莱堡大学的Andreas Schulze-Bonhage团队在Neuron上发表观点提出在人脑内侧颞叶中发现了一种以自我为中心空间定位的神经编码模式。
这与在啮齿动物中观察到的一致，这些神经元代表着在整个环境中指向参考点的以自我为中心的方位。除了导航作用之外，这群神经元也在空间和情景记忆中发挥重要作用。
该研究将情景记忆的现象描述从自我为中心的角度联系起来，这将有助于加深对于第一人称视角在定位和记忆中作用的神经环路的理解。
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1.导航过程中人类单个神经元记录识别自我中心方位细胞(egocentric bearing cell，EBC)
研究人员记录了14例癫痫患者内侧颞叶的单个神经元活动，同时让这些受试者通过虚拟环境导航来模拟执行空间参考记忆任务(图1)。在这项任务中，患者在最初的学习阶段首先学习了8个不同物体的空间位置。
随后，在一系列的试验中，患者被提示使用8个物体中的一个作为参考，尝试记住物体的相互位置关系，然后导航到记忆的位置并按下按钮来标记他们的位置，在整个任务中，他们记录了患者的虚拟航向和位置，并与同时记录的神经元活动进行比较。
研究人员记录了多个脑区总共729个神经元，包括杏仁核(242个)、内嗅皮层(114个)、梭状回(25个)、海马(146个)、海马旁回(65个)、颞极(128个)和视觉皮层(9个)。
图1 识别EBC的空间参考记忆任务和分析程序
2.EBC提供了一种对应于非自我中心的、以环境为参照的新的空间细胞类型
通过改变神经元的放电频率来跟踪受试者在虚拟环境中以自我为中心的定位，可以识别出表现为EBC的单个神经元(图2)。例如，图2A中的EBC的参考点位于环境的东北部(图2A，左)，当参考点位于受试者当前航向右侧45°处(图2A，中)时，细胞发射率增加。用向量场映射(图2A，右)进一步说明了这种细胞向参考点的调整，显示了细胞优先选择非自我中心方向用于定位。
研究人员总共观察到了90个EBC占观察神经元总数的12%，远远超出预期，平均每个记录阶段有5.0±1.2个EBC。一些EBC显示了与患者非自我中心方向和/或位置相关的额外放电频率调节(图3A)，但在排除那些同样显著调整非自我中心方向和/或位置的EBC后，大量的纯EBC仍然存在(n = 59;8%)。
研究发现，EBC在海马旁回最为普遍，占所有神经元的28%(图3B)。这一结果支持了海马旁回具有空间的自我中心表征的功能作用的观点(Weniger和Irle, 2006)。
图2 EBC编码以自我为中心向局部参考点的方向
3.EBC编码自我中心的方位和空间中指向参考点的距离
在整个EBC群体中，参考点被放置在环境的许多不同位置，包括中心和外围(图3C)。总体上，参考点的空间分布过多代表了环境中心，即环境中心区域的参考点数量高于整个环境中参考点的均匀分布的预期(图3D)。
在啮齿类动物中也观察到类似的环境中心过度呈现现象，这支持环境中心在导航中具有特殊作用的一般概念(Gallistel, 1990)。EBC的优先自我中心定位依赖于其参考点的位置，参考点位于环境中心的EBC表现出优先自我中心定位的双峰分布，并倾向于表示正后方方位(图3 E)。相比之下，在外围有参考点的EBC显示出优先自我中心定位的大致均匀分布(图3E)。
研究人员发现，通过线性距离调整和结合方位距离场，EBC支持自我中心空间的全矢量表示。这种以自我为中心的方位和距离的组合表示可能对导航和定位有重要意义，因为它允许受试者不仅能计算指向参考点的方向，也可以计算出它的确切位置。
图3 EBC在整个环境中都有参考点并且显示一系列以自中心的方位和距离调整，EBC的放电频率与空间记忆功能共同变化
4.EBC在人类空间记忆和情景记忆中起着重要作用
为了确定EBC是否参与空间记忆，研究人员测试了EBC是否表现出与空间记忆表现相关联的放电频率变化。为此，他们识别了放电频率与正在进行的空间记忆行为(记忆细胞)相关的神经元。
记忆细胞主要分布在海马旁回、内嗅皮层和杏仁核中(图3M)，包括正性记忆细胞和负性记忆细胞，正性记忆细胞的放电频率随着空间记忆表现提高而增加，而负性记忆细胞则相反。
研究人员发现，大量的EBC满足作为记忆细胞的标准(17 of 90 ，19%, p < 0.001)，其中包括正性(n = 8)和负性记忆细胞(n = 9;图3N)。
此外，EBC中记忆细胞所占比例高于非空间细胞中记忆细胞所占比例(40 / 523 ，8%；图3O)，这表明EBC的放电频率与空间记忆功能之间的联系比非空间细胞更加紧密。
情景记忆是指在特定时间和地点对特定事件的过去个人经历(Tulving, 2002)。以自我为中心的神经表征可能与情景记忆相关，因为情景记忆往往是从最初的第一人称视角来体验的。然而，自我中心神经表征在情景记忆中作用的神经证据仍不清楚。
为了探究EBC在情景记忆中的作用，研究人员记录了执行混合空间定位-情景记忆任务的患者的单个神经元活动。在这项任务中，受试者在特定的时间、特定的地点在虚拟海滩上遇到独特的物体，从而形成情景记忆。之后，他们被要求回忆那些片段。
研究人员发现，EBC参与完成了情景记忆的成功回忆。当空间信息作为记忆线索时，情景记忆激活较早，而当空间信息作为记忆目标时，情景记忆激活较晚。
因此，他们推测，回忆过程中EBC的活动有助于恢复情景记忆的自我中心的空间背景，这可能促使主体从主观、第一人称的视角来重新体验当初的经历。
图4 EBC在成功的情景记忆回忆中激活
结 论
总而言之，研究人员在人脑内侧颞叶中发现了一种以自我为中心的空间定位的神经编码模式。而EBC构成了这一编码的关键环节，通过以自我为中心的方式，EBC编码了在空间环境中局部参考点与主体之间的方向。
因此，EBC可以为主体提供一个以自我为中心的对周围环境的呈现，使得人类在空间行为中可使用以自我为中心的定位策略。EBC可能还有助于空间和情景记忆过程，通过处理与记忆相关的空间信息，从而有助于获得对过去经历的更加生动的回忆。
参考文献
1. Lukas K., and Armin B.(2021). A neural code for egocentric spatial maps in the human medial temporal lobe. Neuron. 109,1-16.
2. Weniger, G., and Irle, E. (2006). Posterior parahippocampal gyrus lesions in the human impair egocentric learning in a virtual environment. Eur. J. Neurosci. 24,2406–2414.
3. Gallistel, C.R. (1990). The Organization of Learning (MIT Press).
4. Tulving, E. (2002). Episodic memory: from mind to brain. Annu. Rev. Psychol. 53, 1–25.
编译作者：Starfish (brainnews创作团队)
校审：Simon（brainnews编辑部）