新腦區發現“頭方向細胞” 我國科學家開辟新腦皮層

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元，其對我們身處何處、行為姿勢、情緒狀態都“無感”，唯獨當我們的頭部朝向發生變化時就會放電。這類神經元如同大腦的“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大學新橋醫院神經外科張生家團隊在Advanced Science在線發表最新研究成果。他們在經典大腦導航系統海馬體外的新腦區“軀體感覺新皮層”中發現了一類新的頭方向細胞，其由抑制性神經元編碼，而不是此前普遍認為的由興奮性神經元編碼。

開辟新腦區

最近半個世紀以來，科學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典的空間導航理論，認為承擔大腦空間導航任務的區域只有海馬-內嗅皮層。

“海馬-內嗅皮層”中存在四種“導航細胞”，共同組成大腦的“GPS系統”。具體包括，“繪制”所處地點地圖的“位置細胞”，告訴我們已經行進距離的“網格細胞”，“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，挪威科技大學教授邁—布里特·莫澤和愛德華·莫澤夫婦在內嗅皮層區域中發現了“網格細胞”，類似于空間坐標系的機制。2014年，他們與此前發現“位置細胞”的英國科學家約翰·奧基夫一起，獲得2014年諾貝爾生理學或醫學獎。

2008年起，張生家前往莫澤夫婦實驗室工作，主要從事體內電生理方面的研究。

“我們在前期研究中發現，在海馬-內嗅皮層之外，大腦還有另外的區域存在另一套空間導航系統。”張生家介紹。

2021年，他們在《細胞研究》上發表論文，揭示“軀體感覺皮層”存在與海馬-內嗅皮層神經網絡中類似的多種空間導航細胞，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、 陸軍軍醫大學新橋醫院神經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元編碼。“它的關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《中國科學報》。

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

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元的動作電位進行相關分析，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元進行分類，研究人員鑒定出兩類頭方向細胞，包括“常規放電興奮性神經元”和“快速放電抑制性神經元”，其中后者呈現簇狀放電和更強方向選擇性。

實驗結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元編碼并表現出較強的方向選擇性，還沒有看到文獻報道抑制性神經元有這樣的現象。”

他們分析，這一結果表明抑制性神經元具有更高的精度、更強的方向選擇性，提示抑制性神經元在空間編碼和計算中發揮的作用可能比傳統觀點認為的更廣泛，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據，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調控手段鑒定抑制性神經元亞型，并解析軀體感覺皮層產生頭方向信號的局部神經環路機制，為理解頭方向細胞在空間導航和記憶中的確切作用提供重要依據。(作者：甘曉)

標簽： 頭方向細胞 新腦皮層 神經電信號 軀體感覺皮層