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大腦怎么知道我們朝哪個方向前進?大腦中有一類特殊的神經(jīng)元，其對我們身處何處、行為姿勢、情緒狀態(tài)都“無感”，唯獨當我們的頭部朝向發(fā)生變化時就會放電。這類神經(jīng)元如同大腦的“指南針”，被命名為“頭方向細胞”。

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

開辟新腦區(qū)

最近半個世紀以來，科學(xué)家圍繞動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，認為承擔大腦空間導(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)航細胞”，共同組成大腦的“GPS系統(tǒng)”。具體包括，“繪制”所處地點地圖的“位置細胞”，告訴我們已經(jīng)行進距離的“網(wǎng)格細胞”，“提示”我們所處邊緣的“邊界細胞”，以及“指南針”頭方向細胞。

2005年，挪威科技大學(xué)教授邁—布里特·莫澤和愛德華·莫澤夫婦在內(nèi)嗅皮層區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了“網(wǎng)格細胞”，類似于空間坐標系的機制。2014年，他們與此前發(fā)現(xiàn)“位置細胞”的英國科學(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。

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

“我們在前期研究中發(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，他們在《細胞研究》上發(fā)表論文，揭示“軀體感覺皮層”存在與海馬-內(nèi)嗅皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中類似的多種空間導(dǎo)航細胞，其中就包括頭方向細胞。

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

解鎖新類型

論文一作、 陸軍軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院神經(jīng)外科龍曉陽博士介紹，頭方向細胞由一群功能特異性的神經(jīng)元編碼。“它的關(guān)鍵功能在于在運動過程中跟蹤動物的實時方位，為路徑整合提供方向信息。”她告訴《中國科學(xué)報》。

最新發(fā)表的研究中，作者通過自由運動多通道電生理記錄技術(shù)，采集大鼠在曠場中探索環(huán)境時軀體感覺皮層的神經(jīng)電信號。

實驗中，首先，研究人員通過對動物的瞬時頭方向和單個神經(jīng)元的動作電位進行相關(guān)分析，甄別出特異性放電的頭方向細胞。

然后，通過動作電位波形和放電頻率對神經(jīng)元進行分類，研究人員鑒定出兩類頭方向細胞，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)簇狀放電和更強方向選擇性。

實驗結(jié)果引起研究團隊的濃厚興趣。張生家指出：“過去的研究一般認為，頭方向信息主要是由興奮性神經(jīng)元編碼并表現(xiàn)出較強的方向選擇性，還沒有看到文獻報道抑制性神經(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、更強的方向選擇性，提示抑制性神經(jīng)元在空間編碼和計算中發(fā)揮的作用可能比傳統(tǒng)觀點認為的更廣泛，也是大腦編碼空間方位的重要載體。

論文審稿人指出，這項工作為我們認識大腦的空間認知提供了有用的實驗數(shù)據(jù)，并且有助于我們進一步理解“軀體感覺皮層”和頭方向細胞的特點。

未來，研究團隊計劃， 進一步采用細胞特異性的神經(jīng)調(diào)控手段鑒定抑制性神經(jīng)元亞型，并解析軀體感覺皮層產(chǎn)生頭方向信號的局部神經(jīng)環(huán)路機制，為理解頭方向細胞在空間導(dǎo)航和記憶中的確切作用提供重要依據(jù)。(作者：甘曉)