大脑的“GPS”不仅仅是导航

根据本周发表在该杂志上的一项新研究，大脑中创建环境心理地图的部分在记忆和学习中发挥的作用比之前认为的要广泛得多自然普林斯顿大学的研究人员。

“近40年的研究表明，大脑的某个特定区域专门负责空间导航，”普林斯顿大学亨利·l·希尔曼分子生物学教授、普林斯顿神经科学研究所联合所长大卫·坦克说。“我们发现，在导航空间环境和认知环境时，同样的区域也参与其中。”

这项研究观察了大脑中一个叫做海马体自20世纪70年代以来，人们就已经知道，当老鼠在它们的环境中移动时，它会变得活跃。这项研究和相关工作表明，当动物到达特定位置时，附近内嗅皮层的细胞会放电，从而发现大脑会对外部世界产生一种内部表征——一种心理定位系统——告诉动物它在环境中的位置。这些发现为三位科学家赢得了2014年诺贝尔生理学或医学奖。

现在，普林斯顿大学的研究人员发现，当大脑探索一种非常不同的环境时，包括听声音时，这些相同的大脑区域是活跃的。研究人员监测了神经活动当老鼠听特定的声音并做出反应时，发现了与老鼠探索环境时相似的放电模式。

这项研究解决了神经科学中一个长期存在的谜题，即海马体如何与绘制外部环境地图和制作地图有关新的记忆．海马体受损的人缺乏形成新记忆的能力，比如以字母缩写H.M.而闻名的健忘症患者，他参与了50年的研究，直到2008年去世。

在之前的研究中，科学家们监测了海马体中细胞的电活动，他们发现这些细胞的放电顺序代表了动物的位置，它的头部朝向哪个方向，它行进的方向以及它相对于边界的位置，根据德米特里·阿罗诺夫的说法，他是这篇论文的第一作者，在普林斯顿神经科学研究所担任博士后研究员时进行了这项工作，现在是哥伦比亚大学神经科学助理教授。“谜团在于，这些放电模式与记忆有什么关系?”

研究人员推测，可能是海马体和附近的内嗅皮层共同作用产生了这些心理地图事实上，它们本身并不是特定于映射，而是涉及到更一般的认知任务，而映射只是涉及学习和记忆的更大认知任务的一个方面。也许之前的研究只发现了定位任务的原因是因为老鼠在觅食时大部分时间都在探索周围的环境。

通过给老鼠一个不同的任务，比如探索声音，研究人员可能会在海马-内嗅回路中发现认知活动的证据。研究人员选择声音作为空间的类比，因为两者都可以在连续体上变化:老鼠可以探索不断增加的频率，就像它们在一条漫长的走廊上前进一样。

为了验证这一理论，研究人员监测了电活动当大鼠操纵声音并学会将某些声音频率与奖励联系起来时，海马和内嗅区的神经元。坦克和阿罗诺夫与2018届本科生犀牛·内弗斯合作开展这项工作。研究人员首先教老鼠按下一个杠杆来提高扬声器播放的音调或频率。老鼠了解到，如果它们在音调达到预定频率范围时释放杠杆，它们就会得到奖励。

研究小组观察到，神经元放电的模式与大鼠在执行任务时的行为相对应。神经活动的序列是随着大鼠在频率序列中前进而产生的，类似于在空间中穿越一系列地方时产生的序列。甚至有一些模式与特定的声音频率相对应。参与这些放电模式的神经元与参与映射和导航的神经元完全相同。这些细胞包括海马位置细胞，这样命名是因为当大鼠在一个特定的地方时，它们会放电，以及内嗅网格细胞，当大鼠在某个特定的地方时，它们会放电老鼠经过某些地点。

“这些发现表明，在海马-内嗅系统中，有一些共同的机制可以代表各种不同的任务，”同时也是西蒙斯全球大脑合作项目(Simons Collaboration on The Global Brain)负责人的坦克说。“我们的研究表明，这些大脑区域并不代表特定的位置，而是代表动物经验的其他相关特征。当这些特征以连续的方式变化时，神经激活序列就产生了，”Tank说。

阿罗诺夫说，这一发现与我们在学习新地方和形成经验记忆的背景下如何映射我们的环境相吻合。“当你访问一个新的地点时，你不仅会在脑海中形成地图，还会对你的地点形成记忆。我们认为这项研究解开了海马体同时代表记忆和位置的谜团，因为这些神经元是能够代表任何相关信息的通用神经元。”