心理所研究梳理空間導航的介觀神經表征研究進展

　　空間導航(Spatial navigation)作為一種基本認知能力，對動物和人類的生存繁衍都至關重要。定位資源的位置、規劃覓食的路線等等都需要基本的空間信息加工能力^[1]。空間導航行為異常是阿爾茨海默癥早期主要行為癥狀，參與空間導航的核心腦區（如內嗅皮層）在疾病早期會出現異常活動。因此，空間導航神經機制的研究可以加深對阿茲海默癥致病機理的理解，增強人們對疾病的早期診斷和干預能力^[2]。  

　　國內外研究者針對“空間導航的神經表征”這個核心科學問題，在不同的神經活動尺度開展了大量研究，取得了豐碩的研究成果。在微觀尺度（microscopic scale）上，研究者以大鼠為模型，借助體多通道電生理技術發現多種表征空間信息的神經元，包括位置細胞、網格細胞、邊界細胞、頭朝向細胞以及目標矢量細胞等^[1]。在宏觀尺度（macroscopic scale）上，研究者以人類被試為主，借助功能磁共振成像技術（fMRI）和腦磁圖（MEG），揭示了參與空間導航加工的核心腦區，包括海馬、內嗅皮層和內側前額葉皮層。 

　　然而，在宏觀尺度和微觀尺度中間還存在著一條鴻溝：介觀尺度（mesoscopic scale）的大量神經元形成的集群以及它們構成的神經網絡如何加工空間信息，研究者仍然知之甚少。2018年10月，中國科學院心理研究所王亮研究組與德國波鴻魯爾大學Nikolai Axmacher教授團隊借助顱內腦電（Intracranial EEG）技術，揭示了空間導航任務中，內嗅皮層神經元集群的神經振蕩活動展現出類似網格細胞的特性^[3]。同時，美國哥倫比亞大學Joshua Jacobs教授團隊在PNAS的論文也發現了類似的結果^[4]。  

　　近日，王亮研究組與Nikolai Axmacher教授團隊、Joshua Jacobs教授團隊共同在Cell旗下的認知神經科學權威雜志《Trends in Cognitive Sciences》在線發表了題為“Mesoscopic Neural Representations in Spatial Navigation”的綜述文章。文章系統性地梳理了近年來，空間導航領域介觀尺度神經表征的研究進展，提出了多種理論建構下不同尺度下神經表征之間的聯系（圖 1），并討論了介觀尺度表征在神經退行性疾病的診斷和治療上的臨床應用。 

圖 1 空間導航的微觀，介觀和宏觀表征

微觀尺度：大腦海馬和內嗅皮層中發現的網格細胞、邊界細胞和位置細胞。

宏觀尺度：內嗅皮層和海馬區的核磁信號表征網格、邊界和位置信息。

介觀尺度：內嗅皮層和海馬區的theta神經振蕩表征網格、邊界以及位置信息。

　　文章首先指出目前空間導航研究領域，大部分工作都集中在微觀尺度的神經元表征和宏觀尺度的腦區表征。二者之間存在著大量空白亟待填補，其中最重要的就是介觀尺度的神經振蕩表征。文章詳細回顧了近幾年來在介觀尺度取得的研究進展，包括神經振蕩對運動狀態、速度、時間和距離的表征，還包括神經振蕩對位置、環境邊界和網格的表征。 

　　接著，文章探討了不同尺度表征之間的關系。一方面詳細介紹了單細胞活動、局部場電位和核磁信號之間的關系；另一方面，提出了介觀尺度和宏觀尺度空間表征信號之所以涌現的機制理論。一種理論認為，解剖上靠近的神經元編碼相鄰的空間位置，這種獨特的空間分布模式可能體現在神經元集群的活動之中，表現為神經振蕩的增強或者減弱。另一種理論認為，在空間上某些特定方向上，神經元激活的強度和數量高于其他方向，這也能導致神經振蕩的增強或者減弱。雖然有這樣那樣的不同，但這兩種理論均認為神經振蕩是單細胞活動與大規模網絡活動之間重要聯結。 

　　最后，文章討論了不同尺度，特別是介觀尺度的空間表征對于行為實驗和臨床治療的意義。目前為止，阿爾茨海默癥還無法醫治，尋找疾病的早期標記物，提早預防和干預迫在眉睫。與導航相關的神經振蕩表征指標將為阿爾茨海默癥的診斷提供新的思路。文章指出，未來研究需要確認疾病對單細胞和神經振蕩的影響是共同的，還是相互獨立的，這對藥物治療至關重要。 

　　該研究受中國科學院戰略性先導科技專項（B類）(XDB32010300)、國家自然科學基金委優秀青年基金（81422024）、北京市科委腦認知與腦醫學專項（Z171100000117014）和中國科學院交叉創新團隊項目（JCTD-2018-07）等資助。論文于5月23日在線發表于Cell旗下的《Trends in Cognitive Sciences》雜志（影響因子15.6，五年影響因子22.8）。 

　　論文信息： 

　　Lukas Kunz et al. Mesoscopic Neural Representations in Spatial Navigation, Trends in Cognitive Sciences (2019). DOI: 10.1016/j.tics.2019.04.011 

　　相關閱讀： 

　　科學家借助顱內腦電技術揭示人類低頻θ振蕩攜帶網格細胞信息http://www.cas.cn/syky/201810/t20181019_4666770.shtml 

　　參考文獻： 

　　1.Moser, E.I. et al. (2017) Spatial representation in the hippocampal formation: a history. Nature Neuroscience 20, 1448–1464 

　　2.Coughlan, G. et al. (2018) Spatial navigation deficits — overlooked cognitive marker for preclinical Alzheimer disease? Nature Review Neurology 14, 496–506 

　　3.Chen, D. et al. (2018) Hexadirectional modulation of theta power in human entorhinal cortex during spatial navigation. Current Biology 28,3310–3315？  

　　4.Maidenbaum, S. et al. (2018) Grid-like hexadirectional modulation of human entorhinal theta oscillations. Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 10798–10803