大脑认路，要靠两套“GPS”？

张生家团队Cell Research发文

一条走过千百遍的路，还是难以辨识。如果你是“路痴”，迷路可能是日常生活的一部分。大脑到底靠什么“认路”？

1月18日，陆军军医大学新桥医院神经外科教授张生家团队在《细胞研究》（Cell Research）在线刊登论文，揭示大脑躯体感觉皮层中存在一套空间导航系统，能够实现空间方位感知。

这是在2014年诺贝尔生理学或医学奖所发现的海马-内嗅皮层介导的经典空间定位系统之外，科学家发现的另一套全新的、完整的“大脑GPS”。

论文截图

从“假说”到诺奖

大脑的空间导航系统是人类以及所有其它动物在长期的进化中演变而来的高级侦察系统，这一系统如何帮助大脑感知外部空间世界，一直以来都是哲学家和科学家所关注的焦点。

张生家介绍，海马体一直被科学家视为研究记忆和认知的核心脑区。1948年，美国加州大学伯克利分校教授爱德华·托尔曼提出“认知地图”假说，指在过去经验的基础上，头脑中会产生类似于地图的模型，但其对应的神经基质一直未能揭示。

1971年，英国伦敦大学学院教授约翰·奥基夫在海马体中观察到“位置细胞”的存在——自由活动的大鼠在到达某些特定位置时会“点亮”这些神经元。

2005年，挪威科技大学教授迈-布里特·莫泽和爱德华·莫泽夫妇在位于海马体的“内嗅皮层”中发现了“网格细胞”，类似于空间坐标系的机制。莫泽夫妇与约翰·奥基夫一起，因发现大脑空间导航系统分享2014年诺贝尔生理或医学奖。

2008年起，张生家来到莫泽夫妇实验室工作，主要从事体内电生理方面的研究。

临床研究提供新线索

近年来，张生家团队对已发表的临床研究进行分析时发现了新线索。“临床研究发现，病人在海马-内嗅皮层受损后，空间导航能力仍然存在，这说明其他脑区可能也有导航功能，大脑中可能存在一个尚未发现的GPS。”论文第一作者龙晓阳告诉《中国科学报》。

同时，临床研究还为找到另一套大脑GPS提供了方向。研究人员看到，大脑另一个区域“躯体感觉皮层”严重受损的病人对空间方位的感知能力急剧下降。这说明，躯体感觉皮层中可能存在空间方位感知的新功能。

于是，他们将目标锁定至躯体感觉皮层。

在最新发表的论文中，研究团队首次系统地记录和分析了躯体感觉皮层层状结构中单个神经元的空间特征放电活动。龙晓阳介绍，研究中采用的“自由运动多通道电生理记录技术及神经建模与计算”是该研究的特色和亮点，具有一定难度。

研究发现，类似于从前在海马-内嗅皮层中发现的各类定位细胞，躯体感觉皮层中也存在绘制所处具体地点的“位置细胞”（place cell）、类似于大脑里指南针的“头方向细胞”（head-direction cell）、负责环境边缘感应和距离推算的“边界细胞”（border cell）、相当于空间坐标系的“网格细胞”（grid cell）。

躯体感觉皮层中新发现的位置-头方向-边界及网格细胞（研究团队供图）

诸多未知仍存

张生家表示，这一研究结果不仅拓展了躯体感觉皮层传统上编码触觉、痛觉、温度和本体感受以外的另一感知空间方位的新功能，并且解释了中风病人躯体感觉皮层受损后出现空间记忆丧失的原因。

研究人员看到，有关大脑空间导航细胞这一领域的科学研究仍然存在许多未知。例如，海马体和躯体感觉皮层之间只有很稀疏的连接，为什么大脑需要两个空间导航系统？二者是什么关系？什么样的分子细胞机制触发了躯体感觉皮层的导航编码？它能否为基于深度学习的人工智能提供计算算法和架构？

“因此，这一领域的未来研究方向应该有以下3个方向。”张生家指出，首先，解析这两套大脑空间定位系统之间的相互作用关系。第二，以大脑空间定位系统为突破口，深入研究神经退行性疾病、神经发育性疾病等治疗提供新的依据。第三，模拟哺乳动物的空间导航算法，开发更为稳定、可靠和智能的类脑导航系统。

据了解，目前张生家团队正在利用分子生物学、工程病毒学、转基因动物、光遗传学、功能核磁共振、多通道在体电生理记录、动物行为学以及理论建模等多学科交叉手段，从分子细胞、神经环路以及神经网络水平来系统解析与情感、学习和记忆等一系列高级认知行为相关的神经环路与计算编码。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41422-020-00448-8