Neuron：嗅觉刺激增强“空间记忆”！嗅觉地标与路径信息共同形成认知空间地图
在海马体中，内部路径整合和外部感觉标志物共同形成了动物的认知空间地图。
哥伦比亚大学和斯坦福大学的研究人员们在虚拟导航任务中，记录了CA1神经元的活动来研究气味线索是如何被识别为位置信息的。他们发现气味线索丰富了位置细胞的表征，极大地提高了导航能力，并且同一气味呈现在不同的位置也产生了不同的位置细胞的表征。
近端的气味线索增强了局部位置细胞的密度，也导致了超出线索的位置细胞的形成。这导致了对更远端气味线索的识别，这提示了一个独特的迭代机制。
这项研究结果表明，气味可以作为路标，激发了路径整合和气味路标依次迭代地相互作用的模型，从而进一步形成长距离的认知空间地图。
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1.在嗅觉标记存在下的精确导航行为
首先，作者设计了一系列将路径整合和嗅觉地标相结合的实验，要求小鼠在黑暗中导航到一个虚拟的目标位置。起初，小鼠被训练在一个没有特点的球形跑步机上行走4米，头部固定，在完全黑暗中到达一个没有标记的目标位置，并获得水奖励。
在没有气味的情况下，训练后的小鼠在4米的跑道上只跑了2米就开始舔食，速度也降低。在这个范例中，小鼠仅靠路径整合可能无法精确测量大于2米的距离。
然后，当小鼠到达1米和3米的位置时，引入了两次短暂的相同气味脉冲（随机交叉使用两种中性气味，柠檬烯或蒎烯）。这项任务中，小鼠仅根据路径整合和气味线索来确定自己的位置，这使得在产生认知空间地图的过程中，研究大脑的自我运动和外部嗅觉信息的融合成为可能。
经过4天的气味提训练后，所有小鼠约3.5米保持快速跑步速度，后0.5米开始舔食并迅速减慢跑步速度。这表明，小鼠可以将气味识别为空间地标，并利用这些地标来改善导航能力。
他们进一步研究了空间定位气味线索是否会增强位置细胞的表征，发现连续4天对小鼠在1米和3米的地方进行气味提示后，位置细胞的百分比从5.8%增加到35%。且位置细胞的密度总体上随轨迹长度而增加，但在气味暴露的1米和3米以上的位置上最显著。
这些结果表明气味线索可以作为路标，与路径整合结合，产生强大的空间依赖神经活动，支持准确的导航行为。
在嗅觉路标记在下的精确导航行为
2.CA1中的种群水平活动和状态空间轨迹
反映了认知空间地图的逐渐演化
1m和3m气味线索被识别为明显地标的过程也反映在CA1的种群水平活动中。所以他们分析了细胞群体水平的活动。在气味存在第一天训练中，作者观察到种群向量的相关性在x = 1 m之后立即出现一个峰值，这意味着第二个气味线索处的种群向量重新排列到第一个气味线索处的状态。在气味训练过程中，x =1m后的相关性明显减弱。
经过气味训练后，细胞种群在第二个气味线索时的反应与在第一个气味线索时的反应不相关。而在4天的气味线索训练过程中，在两个气味位置作出反应的神经元数量从第1天到第4天减少了2倍以上。
第一天的训练中，1m气味线索所特有的位置场出现，而3m气味线索所特有的位置场在训练几天后出现。此时，种群水平的活动是不相关的，在两个气味线索位置作出反应的神经元数量已经大幅减少。
总之，这些数据表明，这两种气味线索被逐渐地、顺序地识别为空间地标，标志着不同的位置信息。
CA1中的种群水平活动和状态空间轨迹反映了认知空间地图的逐渐演化
3.在细胞形成过程中
路径整合和气味标志的收敛模型
由于观察到气味线索可以作为导航路标，所以作者构建了一个模型来解释路径整合和气味线索如何在海马体中生成认知空间地图。
该模型预测，相同的感觉线索出现在两个不同的位置，导致局部细胞密度以迭代和顺序的方式形成局部峰。此外，该模型预测，在气味线索存在的情况下，整个轨迹上位置细胞的可靠性将会提高。
他们的实验表明，路径整合和气味线索在CA1中相互作用形成认知空间地图，而在他们构建这个模型中，相互连接的路径整合因子和位置细胞通过双向可塑性产生空间选择性。
此模型解释了局部气味信息和路径整合信号的重合导致了海马体中的位置细胞的空间集合。此外，此模型假设，海马通过直接反馈投射到内侧内嗅皮层，提高了路径整合信号的准确性。
在细胞形成过程中路径整合和气味标志的收敛模型
结 论
总之，他们将CA1细胞群的记录与理论建模相结合，为气味线索作为地标信号的过程提供了证据，使海马的认知空间地图能够迭代扩展。海马体中路径整合和嗅觉地标的收敛，使小鼠能够构建空间地图，支持远比单路径整合更距离的导航。
参考文献
Fischler-Ruiz W, Clark DG, Joshi N, Devi-Chou V, Kitch L, Schnitzer M, Abbott LF, Axel R. Olfactory landmarks and path integration converge to form a cognitive spatial map. Neuron. 2021 Oct 25:S0896-6273(21)00728-5. doi: 10.1016/j.neuron.2021.09.055. Epub ahead of print. PMID: 34710366.
编译作者：Sheena（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）