科学家揭示大脑神秘新机制：尝试解释海马体如何映射外部世界

对于研究神经成像的上海科技大学周宁教授来说，我们的大脑既神秘、又浪漫。

图 | 周宁（来源：周宁）

而在最近，她和团队在这片“脑宇宙”里挖掘出了新的宝贝：发现一类新型海马体神经元类别。

“这些细胞似乎能将生物体的外部客观信息和内在主观意图紧密相连。它们不仅映射空间信息，还同步表征了动物的探索意图。”周宁说。

与此同时，这些神经元的编码机制依赖于外侧内嗅皮层的信息输入，为理解大脑如何整合外界环境信息与内在主观意图提供了新思路，也为理解海马体中位置细胞的功能提供了全新视角。

据了解，已有学者发现海马体病变和海马体功能，和很多脑疾病的存在重要联系，包括阿兹海默病、癫痫和精神分裂症等。

而了解海马体的编码和记忆机制，将有助于发展新型脑疾病诊断标记物、开展脑机接口研究、以及开发新药靶点等。

大脑的“导航之谜”

在神经科学领域，人们一直被这样一个有趣的问题所困扰：大脑如何确定生物体在空间中的位置，并利用这一信息进行导航？

凭借在这一领域的显著成就，英国科学家约翰·奥基夫（John O'Keefe）教授、与挪威科学家爱德华·莫泽（Edvard Moser）和迈-布里特·莫泽（May-Britt Moser）夫妇（现已离婚），于 2014 年共同获得诺贝尔生理学或医学奖。

早在 1971 年，约翰·奥基夫教授就在研究大鼠时发现了海马体（hippocampus）内一种特殊的神经元，并将其命名为“位置细胞”。

当人们将记录电极植入大鼠的海马体来追踪神经元的活动时，可以观察到每个位置细胞仅在大鼠穿过某个特定区域时激活。

换句话说，每一个位置细胞对应着空间中的一个特定区域，它们构成了动物大脑映射外部空间信息的一种索引机制。

有趣的是，人脑中也存在着类似的定位细胞，这些细胞共同构成了人脑对于外部世界的“认知地图”。

多年来，科学家从未停止对于位置细胞形成机制和功能的探索。

比如，海马神经元是否只局限于表征空间位置？它们是否同样指示时间、甚至是更为抽象的概念？

这些神经元是否仅仅作为外部世界在大脑中的映射存在？或者它们也会受到生物体心理状态的影响和调节？

更进一步，海马神经元是否有能力同时编码外界客观信息和大脑主观意向？

正是这些问题不断激发着人们不断地探索。而对这些疑问的解答，可能会帮助我们更进一步地揭开大脑认知的深层奥秘。

大脑如何编码信息？

对于周宁来说，她从本科开始就开始研究生命科学。此前，在北京大学生命科学学院读完本科之后，周宁在加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC，University of British Columbia）获得神经科学博士学位。

2011 年，周宁在位于中国台湾的中国医药大学独立建组。2019 年，她加入上海科技大学 iHuman 研究所担任独立课题组长。

长期以来，她致力于通过荧光成像和电生理等技术，开展神经生理学和病理学相关的基础研究。

比如，在攻读博士期间，周宁常常借助双光子荧光显微镜技术，对那些被荧光指示剂标记的脑片组织进行成像记录。

她经常观察到活脑片细胞中的钙离子荧光强度随着脑细胞的活动变化而忽明忽暗，此起彼伏、如同遥远星空中星辰的闪烁，这让周宁非常着迷。

如前所述，人类大脑有约 860 亿个神经元。而在活体动物中，这些错综复杂的神经元网络背后所的隐藏的信号，是理解大脑如何编码信息的关键所在。

因此，周宁的研究方向逐渐聚焦于通过动物活体的神经成像技术，去深入研究大脑是如何编码这些复杂信息的。

“每一次分析神经元中的钙离子活动，都仿佛是在破解大脑的密码一样，既充满未知、又无比振奋人心。”她说。

而此前关于海马体的研究，揭示了位置细胞可能会随着动物的觅食动机或注意力状态而调整。

例如，在动物搜寻食物时，海马体可能会激活更多的位置细胞以标记食物的具体位置。

同样地，当外部环境发生变化，吸引了动物对变化信号的注意时，位置细胞的数量和活动也可能相应地调整。

这些研究使周宁产生了一个疑问：在生物体既不被食物驱动、也不被外部刺激所吸引的情况下，它们的主观意愿能否被海马神经元编码？

想象一下：当我们每天沿着熟悉的道路去上班或上学，都会路过街角一个熟悉的雕像，有一天我们突然决定停下来仔细观赏它，这时海马体的神经编码会不会与往常有所不同？

是否有一群神经元能够同时编码这个雕像的位置和我们的探索意愿？如果答案是肯定的，那么这些神经元有可能指引我们去哪里以及做什么。

这一问题让周宁团队充满了激情，尤其是博士生曾一凡对此表现出浓厚兴趣。经过一番深思熟虑，他们设计了一个精巧的实验来探究上述问题。

具体来说，其构建了两个设有环形跑道的行为箱，训练小鼠沿着相同方向奔跑，并在每完成一圈时在固定的位置给予一颗奶粉球作为奖赏。

同时，在其他三个位置摆放了不同形状和不同颜色的物体，允许小鼠在靠近这些物体时停下来进行观察和探索、或者选择忽略物体继续跑动。在这两种情况之下，小鼠所经过的路径都高度一致。

（来源：Nature Communications）

在实验开始前几周，他们在小鼠的头部植入了一枚梯度变折射率透镜（Grin Lens），并将海马体神经元标记上钙离子荧光指示剂 GCaMP6f。

这样，当小鼠进行各种行为时，就能通过头戴式微型显微镜，实时地记录海马体神经元的活动情况。

微型显微镜技术，是近年来神经生物学领域涌现的一项突破性实验技术。尽管重量不到 3 克，它却集成了传统显微镜的关键功能组件。

这让其能对大约 0.4 平方毫米的大脑区域进行亚细胞级别的高速成像，并能够同步捕获超过 200 个神经元的数据。

得益于其轻盈的设计，小鼠可以在几乎不受限制的自然状态下携带此显微镜开展自由活动，确保了小鼠动作和小鼠行为的自然性。

在课题组设计的行为箱中，小鼠可以自主选择是否探索接近的物体。

在用摄像机拍摄小鼠行为表现的同时，该团队通过微型显微镜，来记录海马体神经元的钙信号活动。

通过对所收集数据进行深入分析，能够识别出非常典型的位置细胞，这些细胞的特性和此前报道的传统位置细胞高度吻合。

（来源：Nature Communications）

而令课题组振奋的是：在那些典型的位置细胞之外，他们发现了一群独特的海马神经元，这些细胞仅在小鼠探索特定位置时才激活。

但是，在小鼠经过同一地点但不进行任何探索行为时，这些细胞几乎是沉默的。

这种特殊的细胞功能此前并未被提及过，因此他们将其命名为探索依赖性位置细胞（oePC，object exploration-dependent place cells）。

（来源：Nature Communications）

随后，他们又构建了一系列实验，旨在研究 oePC 是如何联合编码探索意图和空间信息的，并尝试解释其背后的机制。

通过分析 oePC 的激活时间点和与小鼠对物体探索的行为，他们观察到这些细胞的活跃期通常发生在动物的探索行为前（中位数 0.8 秒左右），且距离物体大约 3 厘米时发生，这意味着 oePC 的激活实际上早于实际的探索行为。

进一步研究 oePC 的位置场特性时，该团队发现当物体从其原始位置移动 0.5 厘米、1 厘米、2 厘米或 4 厘米时，oePC 的活动强度随着移动距离的增加会逐步减弱甚至消失，这说明 oePC 具有特定位置进行编码的能力。

用全新物体替换掉旧物体时，oePC 的活动模式并未出现显著变化。

令人费解的是，早先研究曾指出更换环境中的物体，会使得传统位置细胞的活动发生明显改变，那么为何 oePC 不发生变化呢？

这时，他们首先要考虑是：是否新旧物体对于小鼠来说过于相似，以至于它们无法区分？

为了排除这种可能，课题组精心挑选了一系列形状、颜色等方面截然不同的复杂物体对小鼠进行测试。然而，即便如此，oePC 的编码仍然不产生明显变化。

而进一步分析那些具有相同位置场的传统位置细胞时，他们发现这些细胞对于物体的更换确实产生了显著的编码差异。

这一对比结果清晰地表明，与传统位置细胞不同，oePC 似乎并不对物体本身的特征进行编码。

在另一项实验设计中，该团队将物体巧妙地掩藏在隔板后，这样一来只有当小鼠表现出探索的主动性并穿过一个小门去搜寻时，它们才能见到这些物体。

有趣的是，他们观察到即使在小鼠接近但尚未直接看到物体的时候，oePC 便已经预先活动起来。

（来源：Nature Communications）

当那些熟悉的物体意外被移走，或是在相同的位置突然将物体换成食物时，oePC 的活动开始显著减少。

这一现象表明，这些细胞并不是在编码环境信号的变化，也不是在表达对潜在奖赏的期待。

为了进一步研究 oePC 的特点，课题组设计了一系列实验，包括连续几天的成像观察、以及行为箱环境变换测试。

这时，oePC 与经典位置细胞显示出相似的模式，也就是说 oePC 的神经元活动在熟悉环境中，会表现出一定的稳定性。而在新环境中则显现出重新编程的潜力。

最后，他们着手探讨了外侧内嗅皮层（LEC，lateral entorhinal cortex）至海马体的输入回路对 oePC 编码能力的影响。

通过在 LEC 表达抑制性的化学遗传学蛋白 hM4Di，并给小鼠注射其特异性配体——叠氮平-N-氧化物（CNO，clozapine-N-oxide），以便来抑制 LEC 神经元的活动。

实验发现当 LEC 的功能受到抑制时，oePC 的活动模式受到了显著的干扰。相比之下，那些表达对照蛋白的小鼠中，oePC 则没有受到影响。

这一发现强烈表明，探索意图的信号是通过 LEC 传递到海马区域神经元的。

自己动手“当焊工”

另据悉，微型显微镜的自主搭建——是本次课题得以顺利完成的关键事件之一。

周宁说：“这套显微镜基于美国加州大学洛杉矶分校 miniscope 的开源项目，它的架构和原理对我来说并不陌生，我以前曾亲手搭建过一台双光子荧光显微镜系统，并在此前积累了一定的光学技术和实践经验。”

然而，在搭建微型显微镜的过程中，周宁遇到了一个意想不到的挑战。

由于这台显微镜体积之小、结构之精密，她需要在不足一毫米宽的接口上进行电子焊接。

这时问题来了：课题组的电烙铁尖端直径超过了几个毫米，这意味着操作空间极小，稍有不慎就可能导致短路、焊点不牢固甚至烧毁芯片。

对于一个以生物学为背景的研究者来说，这样的技术要求无疑是一个巨大的挑战。

为此，她不断尝试各种手法，甚至考虑是否要去电子制造厂的流水线上取经。经过多次试验和失败，周宁终于掌握了焊接要点。

“现在在团队中我的技术还是算数一数二的，也算是个熟练工了，因此还得继续承担微型显微镜的日常维护工作。”她表示。

总之，在种种努力之下她和团队终于揭示了一群新型海马神经元（oePC）的存在。

日前，相关论文以《海马体探索意图和空间信息的联合编码》（Conjunctive encoding of exploratory intentions and spatial information in the hippocampus）为题发在 Nature Communications[1]上。

曾一凡是第一作者，周宁担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

总的来说，随着近期科学界在海马体功能研究领域取得的一系列突破性成果，人类对这一神秘脑区的认知逐渐深化。

例如，人们发现小鼠的海马神经元能够对抽象认知变量进行编码，以及通过海马脑机接口技术实现小鼠自主控制虚拟物体至指定位置的实验。

尽管如此，人类对于海马体的了解仍然宛如冰山一角。

海马体如何映射外部世界，并将这些信息转化为个体的主观意识和行动，是揭示动物乃至人类认知与行为核心机制的关键问题。

因此，周宁希望继续揭开海马体功能的神秘面纱，不仅有助于人类理解大脑的工作机制，还可能为治疗相关神经疾病提供新的思路和策略。

具体来说，她计划深入探究这类神经元在脑部疾病中扮演的角色，特别是考察自闭症个体较少的环境探索行为是否与 oePC 神经元的功能异常存在关联。

此外，其也期望能与计算神经生物学领域的其他团队合作，利用闭环控制等先进算法对 oePC 进行实时调控，从而精确地研究它们对动物行为的影响。

以及希望通过合作来完善神经网络模型，从而模拟海马体的复杂功能，进一步地解开大脑运作的秘密。

参考资料：

1.Zeng, YF., Yang, KX., Cui, Y. et al. Conjunctive encoding of exploratory intentions and spatial information in the hippocampus. Nat Commun 15, 3221 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47570-4

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