心理所合作發表綜述論文系統梳理人類網格表征和認知計算模型研究進展

網格細胞 (grid cell) 主要位于大腦內嗅皮層，是哺乳動物完成空間導航時實現自我定位的關鍵腦區之一，于2005年被首次報道。其發現者Moser夫婦與位置細胞發現者O’keefe教授因共同揭示了大腦GPS定位系統，于2014年分享了諾貝爾生理醫學獎。網格細胞在空間中展現出獨特的六邊形模式表征，并平鋪整個空間（圖1A）。網格表征會在老年群體和多種腦疾病人群（包括阿茲海默癥和精神分裂癥）出現退化。自從網格細胞被發現以來，一直吸引著心理學、神經科學和人工智能等不同領域研究者的關注。中國科學院心理研究所王亮研究組和合作者德國波鴻魯爾大學Nikolai Axmacher教授團隊在人類網格表征研究領域取得了豐碩成果，包括揭示人類網格表征在內嗅皮層和前額葉皮層的神經振蕩基礎 (Current Biology, 2018; Science Advances, 2021)，阿茲海默癥高風險基因攜帶者的網格表征退化 (Science, 2015; Science Advances, 2020)。

近日，王亮研究組和Nikolai Axmacher團隊受到Progress in Neurobiology的邀請，系統梳理了人類網格表征和認知計算模型研究進展。相關綜述論文以Grid codes underlie multiple cognitive maps in the human brain 為題，在線發表于該期刊。

近十年，關于網格細胞有兩條平行的研究主線正在涌現，并逐漸趨于交匯。一條主線是一系列人類網格表征的實驗研究，有兩個獨特的特征：(1)把網格表征在大腦中的分布延拓到多個隸屬于默認網絡的腦區；(2)把網格表征參與加工的任務域擴展到多種非物理空間。另一條主線是一系列認知計算模型的提出，試圖回答網格細胞的認知功能，并作為主線一的有力理論支撐。這兩條主線互為補充、相輔相成，共同提示網格表征可能是構成參與多種高級認知功能的基礎神經模塊之一。該論文圍繞網格細胞的幾個關鍵的科學問題展開，包括網格細胞的空間調諧為什么是六邊形模式，而不是其他模式，如四邊形？大腦神經網絡如何產生如此規則的調諧模式？和嚙齒類動物相比，網格表征在人類大腦中有何獨特作用？論文認為，這些問題的答案將極大幫助破解情景記憶的工作機制，有助于從全新的視角理解相關疾病的病理機制。

網格細胞的研究起始于嚙齒類動物，近20年的研究成果非常系統且豐富。該論文的第一部分簡要概括動物中網格細胞的關鍵研究成果，包括內嗅皮層中的微環路解析、模塊化組織特點、解剖分布特征以及與環境的交互特征（圖1B/C）。

圖1.?網格細胞的空間調諧和網格集群的六向調制信號

第二部分把重點從動物轉向人類，首先介紹了周期調制信號，即空間運動方向與腦活動的六周期調制模式，這是目前在人類上探測網格信號的主流方法（圖1D/E/F）。論文梳理了人類物理空間導航中的網格表征的實驗研究；把人類網格從物理空間延拓到非物理空間的工作；以及大腦中分布式網格系統的振蕩特征(圖2)。這些研究使用不同數據模態，包括入侵性人腦單細胞記錄、局部場電位記錄，非入侵性腦電、腦磁和功能核磁，都特異性地在默認網絡相關腦區觀察到了網格表征。這部分研究中，抽象空間的研究尤為引人注目。一方面，研究者發現網格表征參與多種非物理空間的編碼，包括視覺空間、嗅覺空間、知識空間、價值空間和社交空間等；另一方面，這些數據表明，人類內側前額葉的網格表征在抽象空間中似乎比內嗅皮層更強。至今，網格細胞仍然只在嚙齒動物的內嗅皮層中發現。論文推測，內側前額葉的網格表征可能是人類獨有的，它區別于內嗅的獨特功能還需要未來的研究探索。

圖2.?跨模態（單細胞-場電位-功能核磁）、跨腦區（內嗅-后頂葉-前額葉）、跨任務域（物理空間-視覺空間-概念空間）的人類網格表征研究

網格表征為何參與多種空間的編碼？它的認知功能究竟是什么？論文的第三部分把視線轉到網格細胞的認知計算模型，并把這些模型分為四類 (圖3)。這些模型分別從不同的計算原則出發，回答六邊形編碼模式的認知優越性以及大腦如何產生該模式的神經機制。第一類模型借助信息論的有效編碼理論，提出空間六邊形調諧和模塊化組織對位置的編解碼效能達到最優。第二類模型從降維角度出發，提出網格表征是對海馬位置細胞表征的主成分降維表示，從而有效壓縮空間的表征。第三類模型是第二類模型的逆向重構，提出基于主成分重建認知地圖，網格細胞可以幫助產生不同類型的序列模式，包括高斯運動和列維運動。這些序列模式廣泛存在于動物探索環境過程中，被認為和最優搜索行為相關。最后一類模型發現,網格表征能夠從完成關系推理的循環神經網絡中自發產生，從而提出它是知識表示、關系構建的基礎。

圖3.?網格細胞的四類認知計算模型

第四部分簡要說明網格研究的臨床轉化和對人工智能的啟發，并給出未來需要關注的重要研究問題。最后，作者引用David Marr的名言——“只有研究空氣動力學才能理解鳥的飛行，而不是去肢解它的翅膀”，認為整合網格表征的模型研究和實驗研究為腦科學跨領域合作提供了一個典型案例，呼吁從事計算神經方向和認知心理實驗方向的研究者密切交流，助力破解人類心智的奧秘。

論文第一作者是心理所助理研究員陳棟，通訊作者是王亮研究員，作者還包括德國波鴻魯爾大學的Nikolai Axmacher教授。論文寫作過程中得到了呂鵬程、劉若冰、魯萍萍，以及劉佳麗博士（已畢業）的大力幫助。

該研究得到了科技部科技創新2030“腦科學與類腦研究”項目（2022ZD0205000）、國家自然科學基金項目（32020103009, 32200861）、中國科學院心理研究所“揭榜掛帥”項目（E2CX4215CX）、中國科學院特別研究助理項目的支持。論文已在線發表于Progress in Neurobiology。?

論文信息：

Chen, D., Axmacher, N., Wang, L., 2024. Grid codes underlie multiple cognitive maps in the human brain. Progress in Neurobiology. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2024.102569