心理所研究揭示基于theta振蕩的跨腦區協同性類網格表征支持人類空間導航行為

　　周圍熟悉的環境會在大腦內形成認知地圖，以支持我們實現日常靈活的導航行為，尤其是當行進道路擁堵時，可以通過檢索大腦內的認知地圖快速選擇其他最優路線到達目的地。2014年諾貝爾生理學或醫學獎授予了與“大腦空間導航”相關的重要發現-海馬的位置細胞和內嗅皮層（entorhinal cortex, EC）的網格細胞。2013年，研究人員借助在體電生理單細胞記錄技術在人類的內嗅皮層和內側前額葉皮層 (medial prefrontal cortex, mPFC)中也發現了網格細胞。最近研究表明，網格細胞在非物理空間的認知任務中也發揮著關鍵作用。然而，mPFC-EC環路如何交互和協同網格集群信息，完成空間計算以實現靈活導航行為仍然未知。

　　中國科學院心理健康重點實驗室王亮研究組最新研究發現，大腦活動的緩慢節律性神經活動-theta振蕩在這一過程中起著至關重要的作用。該研究利用人類顱內腦電信號的高時空分辨率特點，揭示了mPFC-EC環路類網格表征的神經振蕩特征，及跨腦區協同性，為人類mPFC-EC環路參與空間信息處理提供了直接證據。

　　單個神經元通常不會孤立活動，也很難支撐復雜的認知行為，例如導航行為。神經元集群的同步活動會引起局部場電位的改變，形成有節律性的神經振蕩，也為腦區間信息交互提供了重要途徑。大量研究表明，神經振蕩與學習記憶之間存在密切關聯。王亮研究組曾經于2018 年發表在 Current Biology 雜志的工作報道了人類內嗅皮層theta振蕩可以在介觀水平衡量網格細胞活動特征，提示了theta振蕩與網格細胞集群之間的重要聯系。

　　此次研究中，研究團隊招募在 mPFC 和 EC 腦區植入深部電極的癲癇患者完成空間導航任務(圖1 A-C)。這部分病人是因抗癲癇藥物治療無效，需要接受手術治療的患者，術前臨床醫生會在患者腦內植入多根深部電極采集場電位信號以精確評估致癇灶的位置。電極植入靶點完全根據治療目的確定，與此次研究無關。

圖 1. (A) 虛擬環境的空間導航記憶任務。(B) 一個網格細胞在環境中的發放野示意圖（紫色圓圈）。 被試沿著網格細胞的六個主軸方向上（紫色陰影）移動將越過更多網格野，導致更強的網格集群活動，被介觀或宏觀層面的腦電測量信號所捕獲。 (C) 該研究分析來自mPFC 和 EC中的電極觸點（黑色圓圈）。

　　被試通過控制鍵盤方向鍵自由探索虛擬環境，同時需要記住八個不同物體的位置。通過對場電位信號采用參數化線性回歸的方法進行分析，計算被試運動方向與不同頻率的振蕩信號強度之間的關系，發現人類 mPFC 中的 theta 振蕩強度受運動方向調制，呈現六周期性活動模式(圖2 A和B)，這和研究組于2018年在 EC 中觀察到的現象一致。這種調制模式是反映網格編碼在介觀水平“活動指紋”的有力證據。研究者用相同的方法分析了與mPFC相鄰的腦區-OFC和dmPFC，均沒有發現六周期調制模式,表明該區域在網格表征中的獨特作用(圖2C)。

圖 2. (A) 與非主軸方向的運動相比，網格主軸對齊的運動期間的 theta 功率更高。 紫色，主軸方向； 灰色，非主軸方向。 (B) 六向調制是mPFC的 theta 振蕩獨有的特征。(C) dmPFC和OFC均未發現六周期調制模式。

　　進一步分析發現 EC 和 mPFC 之間的網格偏角具有相似性，表明這些區域協同表征網格信息，以生成用于編碼和檢索空間記憶的一致性認知地圖(圖3A)。 跨腦區theta 振蕩的同步性與跨腦區的網格表征的強度正相關，并且可以預測該任務中空間記憶的準確性。格蘭杰方向性分析揭示在記憶提取階段，mPFC驅動theta信息流向EC(圖3B和C)。

圖 3. (A) mPFC 和 EC 具有相似的網格偏角。 (B) 在表現更好的空間記憶提取試次中，theta同步性更強。 (C) 格蘭杰方向性分析揭示在記憶提取階段，mPFC驅動theta信息流向EC。

　　綜上，這項研究首次揭示了跨腦區的網格編碼如何參與人類導航行為的神經機制，為mPFC-EC 環路在介觀水平如何處理空間信息提供了新見解，有助于構建認知功能在微觀和宏觀測量手段之間的橋梁（相關內容請見團隊成員與合作者的研究綜述）。許多神經退行性疾病的核心認知功能癥狀涉及空間定位和定向缺陷，例如阿爾茨海默病。因此，了解空間記憶功能潛在的神經機制至關重要，該研究成果一定程度上也有助于此類神經疾病新型生物標志物的開發。

　　該研究得到中國博士后科學基金（2019M660850）、中國科學院特別研究助理項目、中國科學院戰略性先導科技專項（XDB32010300）、國家自然科學基金（31771255、32020103009、 81771388） 和 中國科學院創新交叉團隊項目 (JCTD-2018-07)等項目資助。

　　心理所博士后陳棟是該研究論文的第一作者，王亮研究員為唯一通訊作者。這項工作還得到了來自清華大學玉泉醫院周文靜主任、北京兒童醫院梁樹立主任、德國波鴻魯爾大學和德國弗萊堡大學的研究人員的大力支持。研究成果發表于《科學》雜志子刊 Science Advances。

　　論文信息：

　　D. Chen, L. Kunz, P. Lv, H. Zhang, W. Zhou, S. Liang, N. Axmacher, L. Wang, Theta oscillations coordinate grid-like representations between ventromedial prefrontal and entorhinal cortex. Science Advances 7: eabj0200 (2021).

　　https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0200