走进科学
大脑GPS不仅仅可用于导航
近期普林斯顿大学研究者在自然杂志发文称，创建对应于真实环境的脑内地图的大脑部分同样对记忆和学习有重要作用。
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研究者发现神经激发的顺序与小鼠学习声音频率与奖励之间的关系的活动一致。左部橙色线为几秒内一组神经元随着小鼠压放拉杆而产生的神经活动。右部显示了单个细胞(标号1到9)依次激活表示了拉杆的压放。
普林斯顿分子生物学教授和普林斯顿神经科学研究所负责人David Tank说道：“近40年的研究表明，大脑的某个区域与空间导航相关。我们发现该区域在导航时不仅与空间环境有关，而且认知相关。”
1970年代起研究者就认识到大脑中的海马体在小鼠在环境中移动时会变得活跃，此外另有相关工作证实当动物到达特定位置时附近的内嗅皮层也会激发，由此研究者发现大脑会创建外部世界的内部表示——一种脑内定位系统——能告诉动物所在位置。三位科学家根据这些发现荣获了2014年的生理学或医学诺贝尔奖。
最近，普林斯顿大学研究者发现探索不同类型的环境时大脑中的激活区域与听声音时的一样。研究者对小鼠的神经活动进行了监控，发现对特定声音的响应模式与在环境中探索时的十分相似。
该研究对长久以来神经科学中的谜题进行了分析，即海马体是如何既与创建外部环境的地图相关，又与形成新记忆有关。海马体受损的人，比如名字缩写为H.M.的参与五十多年研究直至2008年逝去的失忆病人，缺乏形成新记忆的能力。
论文第一作者Dmitriy Aronov在仍是普林斯顿神经科学研究所的博士后研究生之时就主导了该项工作，现在已是哥伦比亚大学神经科学助理教授，他提到在早先研究中，科学家对海马体细胞的点活动进行了监控，发现其中细胞依次激发表示动物位置、动物头部朝向、行进方向以及边界的所在，“问题就是，这些激发模式与记忆的关系是什么？”
研究者推断或许共同构建脑内地图的海马体和内嗅皮层事实上并非专门针对地图本身，而是涉及到更一般性的认知任务，地图创建只是更大的包含学习和记忆的认知任务中的一个方面。先前的研究中只发现了与定位有关的任务或许是因为小鼠在搜寻食物的过程中大部分时间都用在了探索环境上。
通过赋予小鼠不同的任务，比如寻找声音，研究者也许能在海马体-内嗅区回路中发现认知活动的相关证据。研究者选择声音类比空间是因为两者随时间的变化均可能较大：小鼠聆听频率不断增长的声音就像是在长长的走廊中行进。
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训练老鼠使他们压下拉杆并在声音频率增大到特定范围时松开
为了测试提出的理论，研究者对小鼠海马体和颞叶内部的内鼻区的神经元电活动进行了监控，同时小鼠操作声音，学习特定频率的声音与奖励的关联。Tank和Aronov与2018级本科生Rhino Nevers一起进行了该项实验。他们首先教小鼠按下拉杆调高通过扬声器播放声音的音高或者频率。小鼠学到了如果在声音频率达到特定范围内松开拉杆，他们就将得到奖励。
研究团队对小鼠在该任务中行为对应的神经元激发模式进行了观察。神经活动的产生顺序与小鼠听到的声音频率的增加一致，类比于在空间中移动产生的顺序。甚至针对特定的声音频率还有相应的模式，并且这些激发模式中的神经元与建图和导航中的相同。这些细胞包括海马□□置细胞，如此相称是因为小鼠在特定位置时该细胞会激发，以及内嗅区的网格细胞，这种细胞在小鼠经过六边形顶点位置时会激发。
Tank说道：
上述发现表明在海马体-内嗅区系统中存在一种通用的机制，可以代表多种类型的任务，根据我们的工作可以推断这些大脑区域并非专门为定位而生，而是能代表动物经历中与之相关的特征。当这些特征连续出现时，就会产生顺序的神经激发。
Aronov说道:
从学习新地点、形成经历的新记忆的角度来看待环境建图，这一发现与之相符。当你访问一个新的地点，你不仅建立了一个脑内地图，还形成了所在位置的新的记忆。我们感觉本研究解决了海马体表示记忆和位置的谜题，因为事实上这些神经元是通用型的神经元，能够表示任何与之相关的信息。
