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2024年08月19日 08:02 北京
2014年，來自挪威的莫澤夫婦（May-Britt Moser與她的丈夫Edvard Moser）和John O’Keefe共同登上科學之巔，分享了那一年的諾貝爾生理學或醫學獎。
三位科學家共同揭示了大腦中的「定位系統」。其中，O’Keefe教授在1971年發現了海馬腦區中存在一種「位置細胞」（place cell），在個體處於特定空間位置時被啟用。30多年後，莫澤夫婦找到了大腦定位系統的另一塊重要拼圖。在海馬與皮層之間的內嗅皮層腦區，他們找到了大腦裏的「空間座標系」—— 網格細胞（grid cell） 。當個體移動時，這類神經元以網格狀提供了類似於經緯度的「座標」，允許個體進行精確的定位和尋路。
▲莫澤夫婦發現了大腦中的網格細胞（圖片來源：諾貝爾獎官網）
位置細胞和網格細胞共同組成了大腦中的「GPS」，確定我們所處的位置。如果更進一步思考， 除了對當前定位，我們的大腦裏是否還有某種系統，可以預測個體未來的位置呢？
在一項發表於【科學】的最新研究中，日本理化學研究所（RIKEN）腦科學中心的兩位科學家在已知的網格細胞之外， 發現了一種全新的預測網格細胞（predictive grid cell），為空間導航中的前瞻性規劃提供支持。
在這項研究中，兩位科學家對 內側內嗅皮層（medial entorhinal cortex , MEC） 腦區進一步展開分析，來探索這個區域如何建立未來位置的地圖。
為此，研究團隊設計了一專案標導向行為任務，在一片正方形的開闊平地上，讓大鼠在兩個水源獎勵之間來回走動。兩處水源的位置每過一段時間會改變一次，這樣大鼠的移動軌跡可以覆蓋整個區域。同時，他們使用探針記錄大鼠MEC中單個神經元的活動情況。
為了評估MEC神經元能否編碼未來空間資訊，研究人員分別用大鼠的實際位置、沿軌跡運動前後的位置，來構建神經元放電頻率圖。
結果，作者觀察到 一部份MEC神經元在原始位置的放電頻率圖中沒有顯示出網格特征，但是在未來位置的放電頻率圖裏，卻展現出了明確的網格結構。 例如，一些MEC神經元只有在大鼠抵達特定地點之前的30~40厘米處時會被啟用，編碼這個未來地點的空間資訊。
因此，這些神經元似乎預測性地為未來的位置進行編碼，這些神經元就被稱作 預測網格細胞 ， 一種與莫澤夫婦的發現截然不同的空間系統。
▲預測網格細胞示意圖（圖片來源：RIKEN）
接下來，研究團隊分析了這些細胞進一步編碼了什麽。作者發現，這些預測網格細胞在預測未來位置時，距離和時間均被編碼、用於預測，但在考慮距離時細胞的「網格度」更高。此外，大鼠無論是在前往特定目標還是隨機覓食時，都會編碼未來位置，這意味著 預測網格細胞的功能不僅限於目標導向行為。
綜上，這項新研究表明，MEC提供了一張預測圖， 支持空間導航中的前瞻性規劃，並且在時間資訊的整合和預測中發揮著重要作用。 論文通訊作者Shigeyoshi Fujisawa教授指出，這項研究為海馬和MEC回路中的空間導航和情景記憶形成機制提供了重要見解，接下來研究團隊希望闡明此類預測網格細胞的組織機制。
人類獨特的大腦讓我們擁有了超群的智慧，但我們對這枚器官仍然了解有限。
我們的智慧從何而來？對於大腦結構與功能，我們有了哪些新認知？我們在生活中做什麽，可以讓大腦更健康？
封面圖來源：123RF
參考資料：
[1] Ayako Ouchi et al, Predictive grid coding in the medial entorhinal cortex, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado4166
[2] Navigating the future: Brain cells that plan where to go. retrieved 18 August 2024 from https://medicalxpress.com/news/2024-08-future-brain-cells.html
