一篇Cell文章只有2位作者：揭秘海马神经元在认知地图理论中的新作用

已有大量研究表明啮齿类动物海马神经元具有物理空间位置编码功能，在“认知地图”（cognitive map）理论中，海马提供的位置信息对于认知地图的构建具有不可或缺的作用。然而海马神经元是否可以直接编码抽象的认知元素还从未得到过证实。

来自加州大学伯克利分校的研究人员首次发现灵长类动物前背侧海马神经元（CA1和CA3）具有类似于位置细胞的编码抽象价值空间（abstract value space）的能力，为进一步丰富和扩展认知地图理论提供了新的证据。

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研究人员首先训练猕猴在屏幕上的三张照片中寻找具有更高奖赏概率的图片（三张图片对应的奖赏概率由低到高分别为(Prew < 0.3，0.4 < Prew < 0.6，Prew > 0.7），正确做出反应后（注视具有最高奖赏概率的图片425 ms），猕猴可以得到食物奖励。

当猕猴已经较好的学会了该行为范式后（行为正确率高于70%），研究人员继而将三张照片分别对应的获奖概率（x，y，z）作为虚拟三维空间的坐标点构建出一个抽象价值空间，随着后续实验的进行，不断调整三张照片对应的获奖概率，形成一个虚拟的三维价值空间变化轨迹。

作者在猕猴前背侧海马处植入电极阵列，记录单细胞分辨率的海马神经元（CA1和CA3）发放活动。实验发现当猕猴处在特定价值空间位置处，一些海马神经元具有更高的发放频率。

类似于啮齿动物海马中的位置细胞（place cell）具有位置野（place field）编码特性，作者发现大量猕猴海马神经元具备抽象价值空间编码能力（value field）。

为了验证value field编码是否可以重复，作者设计了平面圆环状价值空间轨迹（两圈），实验发现value field在第二圈经过相同价值位置处具有重复性，且记录得到的所有value field可以覆盖全轨迹，两圈之间的value field数量相似，没有显著差异。

当作者将平面圆环轨迹升级为三维图形，每一圈圆形轨迹都在Z轴上有一定提升。结果表明，经过上述变化，海马神经元仍旧具有一定的抽象价值位置编码稳定性，且Z轴距离距始发位置越近，其编码稳定程度越高。

之前的研究表明，啮齿类动物位置细胞在直线轨道上具有方向性，一些位置细胞仅编码某一方向的信息，此外，位置细胞的位置野可以受到经验的调节，当再次出现在同一位置处，位置细胞发放频率在其位置野发生非对称的偏移（skewness）。

鉴于位置细胞在生理上具有这两种特性，作者特别设计了双纽线（double lemniscate）价值空间轨迹，同时制造出一组同方向和一组反方向的轨迹路线。

类似于位置细胞，实验发现价值空间编码也具有方向性，并可以受到经验的影响，value field在轨迹进入第二圈时也发生了不对称偏移现象。

位置细胞的另一特性是当原有环境发生改变时，其位置野会产生变化，即重新编码（remapping）现象，而环境恢复原状后，其位置野也得以恢复。

为了检测value field是否也具有remapping现象，作者设计了A-B-A’范式，其中A和A’环节中使用相同的图片，而在B中改用新图（屏幕位置上对应的获奖概率维持不变，只是改为新图片）。

最终结果发现一部分细胞在A’中恢复了原先在A中的value field，而另一部分细胞则保留了在B中的value field，除此之外还有一部分细胞同时保留了A和B中的value field。将三类细胞进行组间相关性分析得知，A-B间value field相关性较低，而A-A’及B-A’间value field具有较高相关性。

总 结总结

在本文中，为了探究灵长类动物海马神经元是否具有编码认知地图的功能，作者巧妙地根据三张图片所隐含的价值信息构建了一幅关于抽象价值的三维空间。

随着特定轨迹改变动物在价值空间中所处的位置，发现了灵长类动物海马神经元具有构建认知地图，编码抽象价值空间的能力，并且证明了其生理特性与位置细胞具有多重相似性。该创新性研究极大地丰富了海马神经元在认知地图理论中的作用。

参考文献

本文第一作者兼通讯作者为Eric Knudsen。

Eric Knudsen et al. “Hippocampal neurons construct a map of an abstract value space.”, Cell (2021).

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.07.010