内嗅-海马体空间图的左右交替θ波扫描

一项对老鼠的研究提出了一种机制，说明大脑是如何通过在连续的θ波循环中交替向左和向右向前扫描来绘制周围环境，包括它从未见过的地方。

　　

挪威科技大学（Norwegian University of Science and Technology）Kavli 系统神经科学研究所和大脑皮层算法中心的 Abraham Z. Vollan、Richard J. Gardner、May-Britt Moser、Edvard I. Moser 等研究人员在《Nature》杂志上发表了题为 “Left–right-alternating theta sweeps in entorhinal–hippocampal maps of space” 的论文。这项研究在神经科学领域意义重大，它为理解大脑如何构建空间地图以及导航过程中的神经机制提供了全新的视角，有助于揭示大脑空间认知功能的奥秘，对相关神经疾病的研究和治疗也可能具有潜在的指导意义。

研究背景

在神经科学领域，海马体中的位置细胞（Place cells）和内嗅皮层中的网格细胞（Grid cells）是大脑构建自我位置神经地图的重要元素。这些细胞对于动物的导航行为至关重要，它们的活动模式必须与周围环境位置动态关联 。此前有研究提出，海马体 θ 振荡每个周期内的尖峰序列可编码动物从当前位置到未来位置的轨迹，但这种轨迹在前人研究中受限于动物走过的路径，在连接动物路径与更广阔环境方面存在不足。而网格细胞在导航中的作用也尚不明确，虽然其定义的空间坐标系有助于通过路径整合更新神经位置表征，但仍需更深入研究。因此，寻找一种能快速采样周围环境（包括动物从未去过的地方）的通用机制迫在眉睫，这便是此次研究开展的重要原因。

研究方法

1. 实验动物与手术：研究选用 19 只 Long Evans 大鼠（18 只雄性，1 只雌性），在其脑部植入 Neuropixels 硅探针，分别靶向内侧内嗅皮层 - 旁下托（MEC - parasubiculum）区域、海马体或同时靶向这两个区域。通过手术将探针精确植入特定位置，并在术后给予大鼠镇痛和恢复时间。
2. 电生理记录与行为监测：利用 Neuropixels 探针记录神经信号，同时使用运动捕捉系统和摄像头追踪大鼠的头部位置、方向和行为。在大鼠进行不同任务（如在开放场地觅食、在特定轨道上导航获取奖励或睡眠）时进行记录，确保全面获取其在各种状态下的神经活动和行为数据。
3. 数据分析方法：运用多种数据分析技术，如 KiloSort 2.5 进行 spike sorting，通过 PV（population vectors）相关性解码位置和内部方向，利用聚类算法识别网格细胞和网格模块，构建和拟合潜流形调整（LMT）模型等，对记录的数据进行深入分析，挖掘其中的神经活动模式和潜在机制。

研究结果

1. 网格细胞和位置细胞的交替扫描采样空间：研究人员通过记录 16 只大鼠在开放场地觅食时的神经活动，发现 MEC 和旁下托细胞集合在单个 θ 周期内，编码的位置信号会从动物位置线性向外扫描到周围环境，且扫描方向在连续的 θ 周期内刻板地左右交替。这种左右交替扫描在快速直线奔跑时尤为明显，且与头部的节律性横向或垂直运动以及脚步声频率无关。通过序列检测程序对扫描进行计数和测量，发现扫描在所有记录的大鼠中均存在，且在有超过 1000 个细胞的记录中，72.9 ± 5.8% 的 θ 周期能检测到扫描。进一步研究发现，扫描在网格细胞中比在非网格细胞中更显著，爆发性网格细胞（位于 MEC 层 II 或旁下托）是内嗅扫描信号的最强载体。同时，网格细胞的扫描在不同模块间相互协调，扫描长度与网格模块间距成比例。此外，海马体位置细胞也表现出扫描现象，且与 MEC 扫描共对齐，但存在延迟，这表明海马体位置细胞的扫描可能继承自内嗅网格细胞。
2. 单独细胞群中的交替方向信号：研究人员对 MEC - 旁下托中的头部方向细胞进行研究，发现其中 29.5% 的细胞显示出显著且稳定的头部方向调谐，且大多数受局部 θ 节律强烈调制。在群体水平上，网格细胞的扫描方向与 θ 调制的头部方向细胞编码的方向之间存在很强的对应关系。这些细胞的群体活动在亚秒分析中显示出离散的、θ 节奏的协调活动包，在连续的 θ 周期内从头部轴线的左侧闪烁到右侧。通过解码瞬时方向发现，解码信号在 86.1 ± 1.8% 的 θ 周期三联体中左右交替，且与网格细胞的扫描方向对齐。此外，参与交替方向信号的细胞与经典头部方向细胞不同，θ 节律性方向细胞对解码的内部方向调谐更强，而非节律性方向细胞更倾向于跟踪头部实际方向。
3. 引导扫描的微电路：通过对所有记录细胞对的尖峰时间进行交叉相关分析，研究人员发现内部方向细胞与联合网格细胞之间、联合网格细胞与纯网格细胞之间存在功能性连接。内部方向细胞和联合网格细胞与 MEC 层 II 的爆发性网格细胞的功能连接更为频繁。并且，内部方向细胞与联合网格细胞之间的连接主要存在于具有相似方向调谐的细胞之间，联合网格细胞与纯网格细胞之间的连接则使纯网格细胞的网格相位发生轻微偏移，这种偏移方向与联合网格细胞的偏好内部方向密切匹配。这些发现支持了扫描方向由内部方向细胞通过联合网格细胞激活来决定的观点。
4. 扫描延伸到从未访问过的位置：为了探究扫描是否参与规划，研究人员在受限的一维路径环境中记录大鼠的神经活动。在高架线性轨道、“wagon wheel” 轨道和 m 形扩展 T 迷宫等环境中，解码的方向信号始终指向轨道两侧未导航过的位置，且伴随着网格细胞的扫描。利用 LMT 框架直接从轨道数据解码方向和位置，发现扫描延伸到了动物从未访问过的空间，单个网格细胞和海马体位置细胞对这些未访问位置也有调谐。这表明大脑能创建一个无缝的周围空间地图，与动物是否实际访问过这些位置无关。
5. 扫描和内部方向信号在睡眠中持续存在：研究人员对大鼠睡眠期间的神经活动进行分析，发现扫描在黑暗环境、新环境觅食以及睡眠状态下均保持其刻板的交替模式。在 REM 睡眠期间，内部方向细胞和网格细胞的群体动态与清醒时相似，扫描与解码的内部方向对齐，扫描长度与开放场地记录的相当。在 SWS 期间，虽然群体动态不太规则，但方向调谐的群体活动爆发通常伴随着网格细胞中与解码内部方向信号对齐的扫描样轨迹，只是这些轨迹不具有节律性。这说明协调的方向和扫描信号在所有状态下都可能存在，但 θ 活动是维持严格耦合的节律性左右模式所必需的。
6. 扫描以最佳效率覆盖附近空间：研究人员模拟了一个理想的扫描生成智能体，该智能体通过选择扫描方向来最大化环境采样效率。模拟结果显示，智能体在移动时产生的扫描方向会自发交替，且这种交替模式能有效最小化连续扫描的重叠。通过将智能体沿着大鼠的记录运动路径移动，并根据之前的经验方向确定最佳扫描方向，发现智能体选择的方向与经验数据中的方向对齐，且在快速直线奔跑时，扫描和方向信号的分布变得更加双峰，交替分数随奔跑速度和路径直线度增加。这表明左右交替扫描是一种覆盖周围空间的有效策略。

研究结论与讨论

研究表明，网格细胞编码的轨迹在每个 θ 周期从动物位置向外扫描，方向在连续 θ 周期内左右交替，这种扫描与单独的方向调谐神经元群体中的交替方向信号对齐，且在海马体位置细胞中也有体现，但存在延迟，说明其可能从 MEC 传播而来。这些发现揭示了一个专门的空间编码神经元电路，在交替的 θ 周期内生成导航动物轨迹左右两侧位置的路径，为理解单个细胞中扫描序列的推论（如 θ 相位进动和 θ 周期跳跃）提供了框架。

扫描和方向信号的持续表达以及扫描几何形状在网格细胞流形上的不变性，表明扫描在亚秒级绘制周围环境地图中具有重要作用。网格细胞通过扫描能够将近端环境中的位置链接成连续的二维地图，而无需大量行为采样，这使得地图的形成或更新比动物实际在每个轨迹上奔跑更快、更有效。在熟悉的环境中，扫描可能使动物一次检索周围空间的现有表示，类似于蝙蝠的回声定位。此外，扫描的刚性长度和方向表明其参考内部环形流形定义，独立于外部环境。

然而，虽然研究发现了这种硬连接的侧移机制，但不排除在结构化环境中训练后，扫描可能与朝向目标位置或绕过障碍物的路径对齐的可能性。此前在海马体或其下游观察到的向前扫描可能是左右交替扫描在动物运行轨迹上的投影，由于解码程序的限制，朝向未访问侧向位置的扫描未被检测到。

该研究还为扫描形成的机制提供了线索，功能连接分析表明内部方向细胞可能通过联合网格细胞驱动网格细胞扫描的生成，但向量计算的标量分量仍有待确定，扫描长度的影响因素也需进一步研究。此外，扫描方向交替的机制可能是电路连接中硬连接的，也可能是通过空间重叠最小化规则自发出现的。

总的来说，这项研究为大脑空间导航的神经机制提供了重要的见解，其成果不仅加深了人们对大脑如何感知和导航空间的理解，也为未来相关领域的研究开辟了新的方向，无论是在基础神经科学研究还是潜在的临床应用（如治疗空间认知障碍相关疾病）方面都具有重要意义。