當(dāng)大腦的GPS脫離電網(wǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么

在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究中，魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員與耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的同事合作，首次揭示了大腦的“GPS”系統(tǒng)如何在哺乳動(dòng)物皮層中表示三維空間。由魏茨曼神經(jīng)生物學(xué)系的 Nachum Ulanovsky 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組驚訝地發(fā)現(xiàn)，這種表示方式與二維空間的表示方式大不相同，將幾個(gè)長(zhǎng)期存在的假設(shè)拋諸腦后。

哺乳動(dòng)物，包括人類，知道它們?cè)谔罩械奈恢茫@是由于海馬體及其隔壁鄰居內(nèi)嗅皮層(位于大腦深處的區(qū)域)中的幾種特殊神經(jīng)元。頭部方向細(xì)胞，大腦的內(nèi)部指南針，向動(dòng)物指示其頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。位置細(xì)胞被認(rèn)為是構(gòu)建環(huán)境的心理地圖，當(dāng)動(dòng)物穿過(guò)特定位置時(shí)會(huì)被激活。相比之下，網(wǎng)格細(xì)胞不是對(duì)一個(gè)位置做出反應(yīng)，而是對(duì)多個(gè)這樣的位置做出反應(yīng)，并且它們被認(rèn)為為大腦提供了各種 GPS 系統(tǒng)。

對(duì)網(wǎng)格細(xì)胞和大腦 GPS的研究獲得了 2014 年的諾貝爾獎(jiǎng)。然而，這些研究和其他研究只關(guān)注二維如何表示，很少涉及三維空間的表示。為了彌補(bǔ)這一差距，Ulanovsky 及其同事著手闡明網(wǎng)格細(xì)胞如何在自由行為的蝙蝠中在三個(gè)維度上起作用。

過(guò)去，當(dāng)在二維表面上運(yùn)行的嚙齒動(dòng)物中研究網(wǎng)格細(xì)胞時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诙鄠€(gè)圓形區(qū)域中被激活，稱為發(fā)射場(chǎng)，這些區(qū)域以對(duì)稱的六邊形圖案排列 - 類似于毫米方格紙 - 平鋪表面。這種無(wú)與倫比的對(duì)稱性和周期性表明這些細(xì)胞可能參與了構(gòu)成大腦 GPS 核心的幾何空間計(jì)算。網(wǎng)格細(xì)胞所在的內(nèi)嗅皮層是阿爾茨海默病首先受到影響的大腦區(qū)域，而阿爾茨海默氏癥的早期表現(xiàn)之一，空間定向障礙可能是由于網(wǎng)格細(xì)胞的功能障礙和喪失網(wǎng)格單元的六角形“毫米紙”。

從數(shù)學(xué)上講，在二維空間中排列圓圈的最佳方式是六邊形圖案，就像蜂窩一樣：這可能就是為什么當(dāng)動(dòng)物走過(guò)二維時(shí)，網(wǎng)格細(xì)胞的圓形發(fā)射場(chǎng)在大腦中以六邊形點(diǎn)陣表示的原因表面。因此，研究人員預(yù)計(jì)三個(gè)維度的活動(dòng)模式也是類似的對(duì)稱和六邊形。“我們和許多其他研究人員假設(shè)我們會(huì)看到六邊形堆疊的球，就像雜貨店里的橙子整齊地堆疊在金字塔中，或者任何其他非常有序的三維排列，”烏拉諾夫斯基說(shuō)。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，由博士生 Gily Ginosar 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員與科學(xué)家 Liora Las 博士一起，記錄了蝙蝠在房間內(nèi)飛行時(shí)，頭上安裝了小型移動(dòng)設(shè)備的網(wǎng)格細(xì)胞的活動(dòng)一個(gè)大客廳的大小。不同高度的喂食站確保每只蝙蝠在每次運(yùn)行中都能覆蓋房間的大部分空間。一旦數(shù)據(jù)開(kāi)始輸入，研究人員就會(huì)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格單元在響應(yīng)三維坐標(biāo)時(shí)表現(xiàn)并不如預(yù)期。“作為二維活動(dòng)標(biāo)志的有序全球網(wǎng)格完全消失了，”烏拉諾夫斯基解釋說(shuō)。

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