在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究中，魏茨曼科學研究所的研究人員與耶路撒冷希伯來大學的同事合作，首次揭示了大腦的“GPS”系統(tǒng)如何在哺乳動物皮層中表示三維空間。由魏茨曼神經(jīng)生物學系的 Nachum Ulanovsky 教授領導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，將幾個長期存在的假設拋諸腦后。
哺乳動物，包括人類，知道它們在太空中的位置，這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。頭部方向細胞，大腦的內(nèi)部指南針，向動物指示其頭部轉動的方向。位置細胞被認為是構建環(huán)境的心理地圖，當動物穿過特定位置時會被激活。相比之下，網(wǎng)格細胞不是對一個位置做出反應，而是對多個這樣的位置做出反應，并且它們被認為為大腦提供了各種 GPS 系統(tǒng)。
對網(wǎng)格細胞和大腦 GPS的研究獲得了 2014 年的諾貝爾獎。然而，這些研究和其他研究只關注二維如何表示，很少涉及三維空間的表示。為了彌補這一差距，Ulanovsky 及其同事著手闡明網(wǎng)格細胞如何在自由行為的蝙蝠中在三個維度上起作用。
過去，當在二維表面上運行的嚙齒動物中研究網(wǎng)格細胞時，發(fā)現(xiàn)它們在多個圓形區(qū)域中被激活，稱為發(fā)射場，這些區(qū)域以對稱的六邊形圖案排列 - 類似于毫米方格紙 - 平鋪表面。這種無與倫比的對稱性和周期性表明這些細胞可能參與了構成大腦 GPS 核心的幾何空間計算。網(wǎng)格細胞所在的內(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動物走過二維時，網(wǎng)格細胞的圓形發(fā)射場在大腦中以六邊形點陣表示的原因表面。因此，研究人員預計三個維度的活動模式也是類似的對稱和六邊形。“我們和許多其他研究人員假設我們會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。
為了驗證這一假設，由博士生 Gily Ginosar 領導的研究人員與科學家 Liora Las 博士一起，記錄了蝙蝠在房間內(nèi)飛行時，頭上安裝了小型移動設備的網(wǎng)格細胞的活動一個大客廳的大小。不同高度的喂食站確保每只蝙蝠在每次運行中都能覆蓋房間的大部分空間。一旦數(shù)據(jù)開始輸入，研究人員就會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格單元在響應三維坐標時表現(xiàn)并不如預期。“作為二維活動標志的有序全球網(wǎng)格完全消失了，”烏拉諾夫斯基解釋說。
標簽： 大腦
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