Universal statistics of hippocampal place fields across species and dimensionalities：解锁海马体空间编码的通用奥秘

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【字体：大中小】 时间：2025年02月25日 来源：Neuron 14.7

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　　为解决海马体在大环境中不规则空间反应的相关问题，耶路撒冷希伯来大学的研究人员开展了关于海马体位置野跨物种和维度的通用统计研究，发现简单数学模型可解释相关现象，暗示了共同机制的存在，为理解海马体空间编码提供新视角。

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　　在神经科学的奇妙世界里，海马体一直是科学家们重点关注的对象。其中，海马体位置细胞（place cells）在空间编码中扮演着关键角色。传统观点认为，在小环境中，海马体位置细胞在单一、紧凑的空间区域内活动，对位置呈现出典型的钟形调谐（bell-shaped tuning），就像在一个小小的 “舞台” 上，演员们有着固定且规律的站位。然而，近年来随着技术的进步，高吞吐量记录技术和新的监测技术让科学家们能够更全面地观察自由活动动物的神经活动。这时，他们发现，在大环境这个更大的 “舞台” 上，海马体位置细胞的表现变得截然不同：它们会在多个位置放电，而且这些放电区域的大小和形状各异，不再是整齐划一的模样，这与传统认知产生了巨大的冲突。

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那么，这种在不同环境下的差异背后隐藏着怎样的数学原理？这些不规则的统计数据又能否为我们揭示海马体 CA1 区域空间编码的突触结构（synaptic architecture）奥秘呢？为了解开这些谜团，耶路撒冷希伯来大学（Edmond and Lily Safra Center for Brain Sciences, Hebrew University of Jerusalem）的 Nischal Mainali 等人展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Neuron》杂志上，为我们理解海马体的空间编码机制带来了新的曙光。

在研究方法上，研究人员主要运用了数学建模、数据分析和实验验证等关键技术。他们构建了一个数学模型，将位置野（place fields）建模为对随机高斯过程（Gaussian process）的阈值化和整流处理结果。在数据分析方面，他们对蝙蝠和啮齿动物在不同维度环境下的实验数据进行处理和分析，包括测量位置野的各种属性数据，如大小、形状、间隔等。实验验证则通过对比模型预测结果和实际实验数据，来检验模型的有效性。

研究结果主要体现在以下几个方面：

位置野排列（Field arrangements）：研究人员通过对蝙蝠在 200 米长隧道中飞行和啮齿动物在 1D 轨道上奔跑的实验数据进行分析，发现基于高斯过程阈值化的模型能够很好地解释 1D 环境中位置野的分布。例如，该模型能够准确捕捉蝙蝠位置野大小和间隔的分布特征，并且比传统的对数正态分布拟合效果更好。在 2D 和 3D 环境中，模型同样表现出色。对大鼠在 2D 环境和蝙蝠在 3D 环境中的实验数据研究表明，模型生成的多个异质性位置野与实验观察到的相似，1D 切片中的场大小分布符合 1D 情况下的理论预测，场面积、场计数等统计数据也与模型预测高度一致。
位置野形状的统计（Statistics of field shapes）：模型对位置野形状的统计也做出了准确预测。在 1D 隧道中飞行的蝙蝠以及在 3D 环境中飞行的蝙蝠实验数据都显示，模型预测的场中局部最大值数量分布、场大小与峰值放电率之间的正相关关系以及 1D 位置野边界处放电率斜率的分布等，都与实验数据相符。此外，通过研究高斯过程的欧拉特征（Euler characteristic, EC），发现模型对不同维度环境下位置野的拓扑性质预测也与实验结果一致。
参数变化（Parameter variation across experiments）：研究人员分析不同大小 1D 和 2D 环境的数据时发现，相关长度（correlation length, s）随环境大小呈亚线性增加，归一化阈值（normalized threshold, θ）随环境大小减小。这些趋势导致平均场数量随环境大小增加，并且影响了场形状的异质性。在较小的环境中，场形状更具刻板性（stereotypy），这一预测在对蝙蝠在 6 米长隧道的实验中得到了验证。

研究结论和讨论部分指出，该研究提出的统一数学框架，能够定量解释不同实验中观察到的位置野大小、空间排列、几何和拓扑性质的变化。这表明不同实验中观察到的异质性可能是调节场频率和大小机制的副产品。模型仅用两个参数，就解释了在啮齿动物和蝙蝠以及不同大小和维度环境中看似多样的统计数据，说明这些数据可能源于共同的潜在原则。此外，研究结果还暗示了 CA1 区域的突触连接可能主要是随机的，这与传统认为海马体空间选择性源于高度有序的突触连接观点不同。

这项研究具有重要意义，它为海马体空间编码的研究提供了新的理论基础，使我们对海马体在不同环境下的功能机制有了更深入的理解。未来，研究人员可以基于此进一步探索在更复杂行为条件下，海马体位置细胞的编码机制，以及随机突触权重与活动依赖可塑性机制之间的相互作用。