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脑科学 | 发现大脑中的伙伴定位细胞
来源:澳门威利斯人官方网站 时间: 2018-01-12???? 作者:

在我们的日常生活中,空间定位和导航能力必不可少。虽然有的人是“路痴”,但这只是空间定位和导航能力较差而已,总不至于在自己的家里或者办公室里迷路。长期以来,与大脑的空间定位和导航有关的研究层出不穷,其中比较有名的是在海马体中发现的位置细胞(place cell)和在内嗅皮层(entorhinal cortex, EC)中发现的网格细胞(grid cell)。John O’Keefe和May-Britt Moser、Edvard I. Moser夫妇也因此获得了2014年诺贝尔生理学或医学奖。

 

 

上面提到的位置细胞是对自身位置的定位,并未涉及到对空间中其他物体的位置表征。那么,大脑中是否存在表征他人位置的细胞呢?

为了探究这个问题,来自日本理化研究所脑科学研究院的研究团队设计了一组巧妙的实验,发现在海马背侧CA1区存在表征他人位置的细胞。

该研究的实验对象是小鼠,小鼠需要在T形迷宫中跑动。由于涉及对他人位置表征的研究,因此,在迷宫中同时存在两只小鼠,分别是实验鼠(self)和伙伴鼠(other)。在走迷宫时,伙伴鼠先走,实验鼠随后,实验鼠可以看到伙伴鼠的行踪。实验中,实验鼠需要在不同的实验试次中遵循两种规则,一种是“反向规则(opposite-side rule)”,即如果伙伴鼠向左拐,实验鼠就要向右拐。

 

 

另一种是“同向规则(same-side rule)”,即如果伙伴鼠向左拐,实验鼠也要向左拐。

 

 

 

在实验过程中,研究者实时的记录了实验鼠海马体中背侧CA1的细胞活动。下图展示了4个细胞在实验鼠和伙伴鼠跑动中的放电情况,灰色代表小鼠的跑动路径,红点代表细胞在该位置有电活动。

 

 

从上图我们可以发现,实验鼠的CA1细胞不但对自身的位置有很清晰的感受野,对伙伴鼠的位置也有着非常清晰的感受野。那么,这两个感受野之间是否存在着某种关系呢?答案是肯定的。研究者发现,很多细胞对实验鼠的某一空间位置和伙伴鼠的另一空间位置有着特殊的偏好,并把这些细胞称为联合位置细胞(joint-place cell)。

 

 

联合位置细胞的发现让我们非常兴奋,但我们依然好奇,是否存在只对伙伴位置或者只对自身位置感兴趣的细胞。由于该研究为实验鼠设计了两种迷宫规则,所以,研究者可以分析在实验鼠或伙伴鼠在T形迷宫的侧臂(side arm)时实验鼠的神经活动。如果实验鼠的细胞在伙伴鼠位于某一侧侧臂时放电,而与自身的位置无关,那么这样的细胞就被称为伙伴偏好细胞(other-preferred cell)。如果实验鼠的细胞在自身位于某一侧侧臂时放电,而与伙伴鼠的位置无关,那么这样的细胞就被称为目标偏好细胞(goal-preferred cell)。

 

 

通过对实验鼠背侧CA1细胞神经活动的分析,研究者发现了58个伙伴偏好细胞和252个目标偏好细胞,如下图所示。

 

 

至此,我们已经发现了联合位置细胞、伙伴偏好细胞和目标偏好细胞,这些细胞的共同特征是其感受野对于实验鼠和伙伴鼠的空间位置是不同的。那么,是否存在对实验鼠和伙伴鼠的空间位置的感受野相同的细胞呢?

通过进一步分析实验数据,研究者的确发现了这样的细胞,并称之为共同位置细胞(common place cell),如下图所示。

 

 

既然发现了这么多种细胞,每个细胞的感受野又各不相同,我们能否通过实验鼠的背侧CA1神经元电信号解码出实验鼠和伙伴鼠的位置呢?研究者进一步用联合位置细胞重构出了实验鼠和伙伴鼠的运动轨迹,发现重构轨迹与它们真实的运动轨迹有着非常高的一致性,如下图所示。

 

 

综上,该研究首次发现了联合位置细胞、伙伴偏好细胞、目标偏好细胞和共同位置细胞,这表明在海马的背侧CA1中存在表征自身和他人空间位置的细胞,这些发现十分振奋人心,并极大的扩展了我们对位置细胞的认识。该研究使用活动的小鼠作为“他人”进行研究,并未涉及到对空间中固定物体的神经元活动研究,因此,未来的研究应着眼于海马对非活动物体空间位置的编码,以及不同种类位置细胞的形成机制。

 

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参考文献:

Danjo T, Toyoizumi T, Fujisawa S. Spatial representation of self and other in the hippocampus. Science, 2018

 

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