Nature：脑细胞怎么工作？用多个坐标系统

时间：2024年11月8日

来源：Nature

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神经科学家发现，脑细胞形成了多个坐标系统，告诉我们在一系列行为中“我们在哪里”。

神经科学家发现，脑细胞形成了多个坐标系统，告诉我们在一系列行为中“我们在哪里”。这些细胞可以播放不同的动作序列，就像一个音乐盒可以配置为播放不同的音调序列一样。这些发现有助于我们理解大脑灵活地产生复杂行为（如计划和推理）所使用的算法，并可能有助于理解精神分裂症等精神疾病中这些过程是如何出错的。

今天发表在《Nature》杂志上的这项研究概述了伦敦大学学院塞恩斯伯里威康中心和牛津大学的科学家们是如何研究小鼠学习不同的行为序列但结构相同的。这使得研究小组揭示了小鼠如何将结构概括为新的任务，这是智能行为的标志。这项研究的第一作者，也是伦敦大学学院塞恩斯伯里威康中心贝伦斯实验室和牛津大学纳菲尔德临床神经科学系的博士后神经科学家Mohamady El Gaby博士说：“每天我们都通过对知识的概括来解决新问题。以烹饪为例。当面对一份新食谱时，即使你以前从未做过这道菜，你也能够利用你对类似食谱的背景知识来推断需要哪些步骤。我们想在细胞水平上详细了解大脑是如何实现这一目标的，并从大脑活动中推断出用于解决这一问题的算法。

研究人员给小鼠一系列的四个目标位置。虽然序列的细节不同，但总体结构是相同的。小鼠在目标位置（A、B、C和D）之间循环移动。

“在经历了足够多的序列后，小鼠做了一些了不起的事情——它们猜到了它们以前从未经历过的部分序列。当他们第一次在一个新的地点到达D点时，他们知道要直接回到A点。这个动作不可能被记住，因为他们一开始就没有经历过这个动作！相反，有证据表明小鼠知道任务的一般结构，并能在行为坐标中追踪它们的“位置”，”El Gaby博士解释说。

为了了解小鼠是如何学习任务的一般结构，研究人员使用硅探针，使他们能够记录来自大脑内侧额叶皮层的多个单个细胞的活动。他们发现，这些细胞共同绘制了动物的“目标进展”。例如，当动物到达目标70%的时候，一个细胞就会被激活，而不管目标在哪里，也不管到达目标需要走多远。

“我们发现，这些细胞追踪了动物相对于具体行动的行为位置。如果我们用烹饪来类比，细胞关心的是实现子目标的过程，比如切菜。这些细胞的一个子集也被调整来绘制实现总体目标的过程，比如完成准备饭菜。因此，‘目标进展’细胞有效地充当了灵活的积木，它们聚集在一起，构建了一个行为协调系统。”

实际上，研究小组发现这些细胞形成了多个坐标系统，每个坐标系统都告诉动物它相对于特定动作的位置。就像一个音乐盒可以被配置成播放任何音调序列一样，大脑可以“播放”行为动作。

该团队现在正在努力了解这些活动模式是如何建立在大脑的连接中，无论是在学习新行为时，还是在发育中的大脑中，它们是如何开始出现的。此外，该小组及其合作者的早期工作表明，类似的大脑活动存在于健康人的相同回路中。这鼓励了研究小组与精神科医生合作，以了解这些过程在精神分裂症等疾病中是如何受到影响的，已知精神分裂症涉及相同的大脑回路。这可能有助于解释为什么精神分裂症患者高估了他们实现目标的进展，从而导致妄想。