大脑里有位GPS“指挥官”

本文转自：中国科学报

■本报记者 刁雯蕙

无论是太阳的东升西落，还是城市的东西南北，人们在日常生活中，寻找方向、定位目标或是记忆场景，都需要用大脑对空间信息进行处理和记忆。那么，这个过程是如何在大脑中发生的？

中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）脑认知与脑疾病研究所研究员王成团队和南方科技大学生命科学学院助理教授陈小菁团队发现，大脑有着GPS导航功能的自我中心神经元，它们不仅在神经元突触层次的信息传递过程中呈现功能聚类，还能够在不同场景中募集独立的神经元群体，在大脑处理高级空间信息的过程中发挥重要作用。

近日，相关论文发表于《神经元》。该研究对理解生物体如何编码处理空间信息、构建抽象的空间感知有重要启发，有望为人工智能领域类脑智能算法的设计和研究带来新思路。

审稿人评价称，这项研究产生了关于大脑皮层的宝贵数据，是一项非常重要的科学贡献。

大脑中的“GPS”神经元

大脑是如何识别“前后左右”和“东西南北”的？

科学家认为，人类大脑中有一类特殊的自我中心神经元，它们和位置细胞、网格细胞等世界中心神经元种类共同行使了大脑的GPS导航功能。

自我中心神经元可以感知和编码外部物体与环境信息，并在大脑中形成“前后左右”坐标系，帮助我们识别周围环境中物体的位置和方向，并执行导航任务。

“这种编码方式以个体的主观视角为参考系，叫作自我中心或主观编码机制。”论文共同通讯作者王成解释说，当人的眼睛在接收到物体信息后，大脑会对其进行编码，然后辨别方向并找到目标，其中就包括了自我中心编码和世界中心编码两种方式。

世界中心编码方式则以外部环境为参考系，将感知到的外部信息编码成类似“东西南北”的坐标系。“世界中心编码方式是建立在自我中心编码的计算和转换上的。换言之，相比处理‘前后左右’的位置信息，大脑在处理‘东西南北’的位置信息时，要经过更为复杂的编码过程。”王成解释说。

近年来，科学家对自我中心编码机制进行了一些探索，但对于大脑中自我中心编码机制如何处理不同场景中不同物体的信息仍然知之甚少。

一直以来，王成与陈小菁长期从事空间信息处理的神经机制研究，他们在前期工作中发现，海马体的主要输入脑区——外侧内嗅皮层和内侧内嗅皮层，分别采用自我中心和世界中心编码空间信息。相关成果2018年发表于《科学》。

为进一步探索多场景多物体的自我中心编码机制，2019年，王成在完成美国约翰斯·霍普金斯大学的博士后研究工作之后，回国来到深圳先进院组建团队开展空间感知领域研究。

“空间感知研究中，跨学科交叉很重要。如今国内神经科学方面的交流很活跃，越来越注重多学科合作，这是我回国的重要原因。而深圳是一个充满活力的地方，将为空间感知研究带来更多的可能性，碰撞出新的火花。”王成说。

高级空间感知的“指挥官”

在该研究中，王成与研究团队从实验手段开始创新。他们首先开发了虚拟现实行为范式，运用在体单/双光子显微镜技术，记录和研究了虚拟现实场景中小鼠的自我中心神经元在旷场自由觅食、虚拟现实导航任务中的功能关系。

“我们分析了小鼠的行为数据和神经元生理数据，了解到小鼠神经元对外界刺激的偏好性，进一步解析了小鼠自我中心神经元在亚细胞层次的组织结构。”论文共同第一作者、深圳先进院脑认知与脑疾病研究所助理研究员程宁介绍，研究发现，自我中心神经元的树突中具有显著的自我中心调谐的功能聚类，这表明其可能存在专门的神经功能通道用于处理不同场景中物体的位置信息。

研究团队进一步比较了小鼠在两个任务中对不同物体的自我中心编码机制，发现在截然不同的空间导航任务中，相互独立群体的自我中心神经元会分别编码不同场景中的物体。

“也就是说，自我中心神经元在不同场景不同物体的这种高级空间感知上发挥重要作用，可以帮助大脑辨别不同物体相对自身的‘前后左右’的位置。”程宁解释说。

自我中心细胞和世界中心神经元共同构成大脑空间感知的“指挥官”。当人们要往东边走时，世界中心神经元就会帮助人们辨别“东”的位置，并导航到目标位置；如果人们要向左走，自我中心细胞就会辨别“左”的位置并完成导航任务。

为何这群神经元有着如此特殊的功能？“这可能是人们在进化和发育成长过程中，在特定规律下形成的神经元类型决定的。”王成说。

在该研究中，研究团队首次解析了自我中心神经元在亚细胞层次的组织结构，并发现其在不同场景下，自我中心神经元在结构功能上的变化，对人工智能领域类脑智能算法的设计和研究具有重要的借鉴意义。

“大脑如何通过神经网络实现空间认知？这种认知过程与人类的导航、方向感知等行为有何关联？这些问题的解决将有助于人们更好地理解大脑的工作原理和认知过程，为人工智能发展提供新的思路和方法，让机器更好地模拟人类的空间认知和行为决策，从而提升机器的学习能力和智能水平。”王成说。

王成表示，此次研究团队只在神经细胞的亚细胞层次结构组织进行了功能机制的解析，对于神经元是如何具体运作并发挥功能、其在整个神经网络体系中发挥怎样的作用等，仍需要进一步探究。未来，构建更大的神经网络模型，将是研究团队的重要研究方向。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.11.018