科学家揭示“大脑指南针”编码机制，或推动神经退行性疾病和更优类脑导航算法研究
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“我是谁？我从哪里来？我要到哪里去？”这些疑问除了作为哲学问题，还与人类的日常生活与生存发展密切相关。因为确定环境中的位置、方向以及路线是每个人赖以生存的基本技能。事实上，大脑的空间导航与记忆一直以来也是科学家所关注的焦点问题。
头方向细胞是大脑皮层和皮层下核团的“内部指南针”神经元，与空间记忆和认知有着复杂的联系。然而， 目前我们对头方向细胞的分子细胞机制仍然知之甚少。
近日，来自中国人民解放军陆军军医大学新桥医院的张生家教授研究团队提出了“躯体感觉皮层”（Somatosensory cortex）空间导航系统中关键组成部分头方向细胞的计算编码机制，“不仅突破了经典的空间导航系统理论，还进一步拓展了抑制性神经元编码的传统观点”。
审稿人认为，该研究向揭示空间导航及多感觉信息存在于初级感觉皮层迈出了重要一步，尤其是关于快速放电抑制性神经元方位感知功能的发现。
相关论文以《躯体感觉皮层中的窄调谐头方向和头部角速度细胞》（Sharp Tuning of Head Direction and Angular Head Velocity Cells in the Somatosensory Cortex）为题发表在 Advanced Science 上。
图 | 相关论文（来源：Advanced Science ）
经典空间导航系统理论认为，“海马-内嗅皮层是介导空间记忆与导航的唯一中枢，其中海马的位置细胞与内嗅皮层的网格细胞、头方向细胞及边界细胞等一起构成了大脑'内置 GPS'。”
2021 年，张生家教授团队发现，与海马-内嗅皮层神经网络相似，躯体感觉皮层也存在多种空间导航细胞，组成了另一套全新且完整的空间导航系统。
当时，世界著名神经电生理学家、加拿大麦吉尔大学阿德里安·佩拉奇（Adrien Peyrache）教授评价道，“这项具有里程碑意义的发现，在世界上第一次揭示了海马-内嗅皮层以外存在另一套完整空间导航系统。”
这次，该团队基于此前的工作成果，对躯体感觉皮层空间导航系统的计算编码机制展开进一步深入研究。
据了解，当头部植入电极的大鼠在旷场环境中自由运动时，它们对躯体感觉皮层进行多通道电生理记录，通过分析其神经电信号与动物头方向的关联性，发现该皮层中的头方向细胞可以同时由兴奋性神经元和抑制性神经元编码。
一部分头方向细胞具有较宽的波形，在发放动作电位时间隔的时间较长，放电频率较低，被称为兴奋性神经元，也叫宽波低频常规放电（regular-spiking）神经元；还有一部分头方向细胞放电频率高达几十赫兹，动作电位波形窄，被称为抑制性神经元，也叫窄波高频快速放电（fast-spiking）神经元，其具有簇状放电模式（bursty firing）。
与兴奋性神经元相比，抑制性神经元的放电频率更高，方向选择性更强，因此也具有更高的编码精确度与灵敏度。这一现象证实，“躯体感觉皮层中具有环状吸引子（ring attractor）模型所需的基本组件，因此躯体感觉皮层单个脑区内部可以产成头方向信号。”
图 | 头方向细胞（来源：Advanced Science ）
此外，研究人员对头方向信号进行微分后深入分析其编码机制，进一步发现了头部角速度（angular head velocity）细胞，并得出“这种细胞也主要由快速放电抑制性神经元来表征”的结论。
论文通讯作者张生家谈到，他们在研究中克服了诸多自由运动多通道电生理记录技术所带来的挑战，如在单细胞分辨率对应的微伏级电信号水平下的工频噪声、静电干扰等，这些看似很微小的事情都是成功采集电生理信号的关键。
他还表示，该研究课题源于实验过程中的一个偶然发现。当把信号采集线连接到植入大鼠 “躯体感觉皮层”中的步进微电极后，会通过放大滤波和音响实时“监听”神经元的动作电位。
图 | 张生家（来源：张生家 ）
通常，当大鼠在旷场中自由跑动时，研究人员会听到类似于爆米花在微波炉里的“嘭嘭嘭”声音，指示单个神经细胞的规则放电。然而，当大鼠的头朝向特定的方向时，他们发现某些特定的神经元连续发出和平常不同的一串串类似爆竹的声音，从而发现了簇状放电的新模式。
发现这个现象后，该团队扩大了实验样本，并通过降采样、分离单个和簇状动作电位及最大似然估计等一系列手段进行分析与验证，最终得出了此次的研究成果。
目前，该研究有两个方面的潜在具体应用。一方面，这项研究为阿尔兹海默病等神经退行性疾病的诊断和治疗提供了新的靶向脑区，有望推动对这些疾病更有效的诊疗方案出现。
另一方面，躯体感觉皮层中新发现的完整大脑空间导航系统及其神经编码机制，不仅可以丰富现有的空间导航算法，而且将进一步启发有关大脑神经环路的空间编码和记忆机制的类脑智能研究，对开发更强健、优化和节能的类脑导航算法和架构具有重要的启发意义。
该团队称，“未来，我们打算采用细胞特异性的神经调控手段进一步鉴定抑制性神经元亚型，并解析躯体感觉皮层产生头方向信号的局部神经环路机制，为头方向细胞在空间导航和记忆中的确切作用提供重要依据。”
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