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大腦怎么知道我們朝哪個(gè)方向前進(jìn)?大腦中有一類(lèi)特殊的神經(jīng)元，其對(duì)我們身處何處、行為姿勢(shì)、情緒狀態(tài)都“無(wú)感”，唯獨(dú)當(dāng)我們的頭部朝向發(fā)生變化時(shí)就會(huì)放電。這類(lèi)神經(jīng)元如同大腦的“指南針”，被命名為“頭方向細(xì)胞”。

3月17日，中國(guó)人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院神經(jīng)外科張生家團(tuán)隊(duì)在Advanced Science在線發(fā)表最新研究成果。他們?cè)诮?jīng)典大腦導(dǎo)航系統(tǒng)海馬體外的新腦區(qū)“軀體感覺(jué)新皮層”中發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)新的頭方向細(xì)胞，其由抑制性神經(jīng)元編碼，而不是此前普遍認(rèn)為的由興奮性神經(jīng)元編碼。

開(kāi)辟新腦區(qū)

最近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家圍繞動(dòng)物大腦如何辨別空間位置的一系列研究形成了經(jīng)典的空間導(dǎo)航理論，認(rèn)為承擔(dān)大腦空間導(dǎo)航任務(wù)的區(qū)域只有海馬-內(nèi)嗅皮層。

“海馬-內(nèi)嗅皮層”中存在四種“導(dǎo)航細(xì)胞”，共同組成大腦的“GPS系統(tǒng)”。具體包括，“繪制”所處地點(diǎn)地圖的“位置細(xì)胞”，告訴我們已經(jīng)行進(jìn)距離的“網(wǎng)格細(xì)胞”，“提示”我們所處邊緣的“邊界細(xì)胞”，以及“指南針”頭方向細(xì)胞。

2005年，挪威科技大學(xué)教授邁—布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤夫婦在內(nèi)嗅皮層區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了“網(wǎng)格細(xì)胞”，類(lèi)似于空間坐標(biāo)系的機(jī)制。2014年，他們與此前發(fā)現(xiàn)“位置細(xì)胞”的英國(guó)科學(xué)家約翰·奧基夫一起，獲得2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

2008年起，張生家前往莫澤夫婦實(shí)驗(yàn)室工作，主要從事體內(nèi)電生理方面的研究。

“我們?cè)谇捌谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，在海馬-內(nèi)嗅皮層之外，大腦還有另外的區(qū)域存在另一套空間導(dǎo)航系統(tǒng)。”張生家介紹。

2021年，他們?cè)凇都?xì)胞研究》上發(fā)表論文，揭示“軀體感覺(jué)皮層”存在與海馬-內(nèi)嗅皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中類(lèi)似的多種空間導(dǎo)航細(xì)胞，其中就包括頭方向細(xì)胞。

張生家指出：“盡管頭方向細(xì)胞的功能我們已經(jīng)了解，但對(duì)其編碼機(jī)制知之甚少。”

解鎖新類(lèi)型

論文一作、 陸軍軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院神經(jīng)外科龍曉陽(yáng)博士介紹，頭方向細(xì)胞由一群功能特異性的神經(jīng)元編碼。“它的關(guān)鍵功能在于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中跟蹤動(dòng)物的實(shí)時(shí)方位，為路徑整合提供方向信息。”她告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

最新發(fā)表的研究中，作者通過(guò)自由運(yùn)動(dòng)多通道電生理記錄技術(shù)，采集大鼠在曠場(chǎng)中探索環(huán)境時(shí)軀體感覺(jué)皮層的神經(jīng)電信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中，首先，研究人員通過(guò)對(duì)動(dòng)物的瞬時(shí)頭方向和單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位進(jìn)行相關(guān)分析，甄別出特異性放電的頭方向細(xì)胞。

然后，通過(guò)動(dòng)作電位波形和放電頻率對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行分類(lèi)，研究人員鑒定出兩類(lèi)頭方向細(xì)胞，包括“常規(guī)放電興奮性神經(jīng)元”和“快速放電抑制性神經(jīng)元”，其中后者呈現(xiàn)簇狀放電和更強(qiáng)方向選擇性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起研究團(tuán)隊(duì)的濃厚興趣。張生家指出：“過(guò)去的研究一般認(rèn)為，頭方向信息主要是由興奮性神經(jīng)元編碼并表現(xiàn)出較強(qiáng)的方向選擇性，還沒(méi)有看到文獻(xiàn)報(bào)道抑制性神經(jīng)元有這樣的現(xiàn)象。”

他們分析，這一結(jié)果表明抑制性神經(jīng)元具有更高的精度、更強(qiáng)的方向選擇性，提示抑制性神經(jīng)元在空間編碼和計(jì)算中發(fā)揮的作用可能比傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的更廣泛，也是大腦編碼空間方位的重要載體。

論文審稿人指出，這項(xiàng)工作為我們認(rèn)識(shí)大腦的空間認(rèn)知提供了有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且有助于我們進(jìn)一步理解“軀體感覺(jué)皮層”和頭方向細(xì)胞的特點(diǎn)。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃， 進(jìn)一步采用細(xì)胞特異性的神經(jīng)調(diào)控手段鑒定抑制性神經(jīng)元亞型，并解析軀體感覺(jué)皮層產(chǎn)生頭方向信號(hào)的局部神經(jīng)環(huán)路機(jī)制，為理解頭方向細(xì)胞在空間導(dǎo)航和記憶中的確切作用提供重要依據(jù)。(作者：甘曉)