大脑的“内部罗盘”是如何工作的

通过使用最新的脑成像技术跟踪神经活动，科学家们对大脑中赋予我们方向感的部分有了新的认识。这些发现揭示了大脑如何在不断变化的环境中定位自己——甚至是退化性疾病（如痴呆症）可能出错的过程，这些疾病会让人们感到迷茫和困惑。

小鼠 ADN 中的人口记录。a, 360° LED 屏幕内的录制环境示意图。比例尺，20 厘米。b，ADN 中的 GCaMP6f 表达。总共有 12 只小鼠被注射和植入用于这项研究，只有 3 只（扩展数据图 1a-c）提供了足够的同时记录的 HD 细胞用于继续实验。比例尺，2 毫米。c，在极坐标中具有高方向调谐的 ADN 细胞调谐曲线示例。红线和数字分别表示平均合成向量和 PFD。R，相关系数。d，ADN 的视野 (FOV)，显示每个细胞的 PFD。比例尺，0.125 毫米。e，在小鼠（n = 3）和会话（n = 99）中记录的 ADN 细胞分布。红线表示中位数（最小值、最大值、中值、25th percentile 和 75th percentile，分别如下：鼠标 1（所有）：38、188、105、70 和 131；鼠标 1（高清）：35、154、96、66 和 128；鼠标 2（全部）：102、168、138、126.5 和 147；鼠标 2（高清）：97、154、129、114.75 和 139.75；鼠标 3（全部）：90、255、174、137 和 204.5；鼠标 3（高清）：88、239、162.5、133 和 195.5）。方框图上方的值表示所有记录的 ADN 细胞（蓝色）中 HD 细胞（绿色）的百分比，显示为平均值±标准差 f，ADN 细胞相关系数的分布。黄色虚线表示 HD 神经元检测阈值（随机对照：P < 0.05）。来自三个 10 分钟基线记录会话的数据（每只鼠标一个）。g，一个会话的方位角平面的高清人口覆盖。h，在基线记录期间使用前馈神经网络将高维神经数据投影到二维极平面上。i、高清解码。顶部，跨时间的对数似然分布。底部，使用最大似然法测量的 HD（蓝色）和解码的 HD（红色）。j，第一个实验（n = 42 个会话）中基线记录的绝对残差分布。

“神经科学研究在过去十年见证了一场技术革命，让我们能够提出和回答几年前只能梦想的问题，”麦吉尔大学精神病学副教授兼道格拉斯研究中心研究员马克布兰登说，他与 Zaki Ajabi 共同领导了这项研究，Zaki Ajabi 曾是麦吉尔大学的学生，现在是哈佛大学的博士后研究员。

阅读大脑的内部指南针

为了解视觉信息如何影响大脑的内部罗盘，研究人员将老鼠暴露在一个令人迷惑的虚拟世界中，同时记录大脑的神经活动。该团队使用神经元记录技术的最新进展，以前所未有的精度记录了大脑的内部罗盘。

这种准确解码动物内部头部方向的能力使研究人员能够探索构成大脑内部罗盘的头部方向细胞如何支持大脑在不断变化的环境中重新定位自己的能力。具体来说，研究小组发现了一种他们称之为“网络增益”的现象，这种现象允许大脑的内部罗盘在小鼠迷失方向后重新定向。

Ajabi 说：“就好像大脑有一个机制来实现一个‘重置按钮’，允许在混乱的情况下快速重新定位其内部指南针。”

尽管这项研究中的动物暴露在不自然的视觉体验中，但作者认为，这种场景已经与现代人类体验相关，尤其是随着虚拟现实技术的迅速传播。这些发现“可能最终会解释虚拟现实系统如何轻松控制我们的方向感，”Ajabi 补充道。

结果激发了研究团队开发新模型以更好地理解潜在机制。“这项工作是一个很好的例子，说明实验方法和计算方法如何结合起来可以促进我们对驱动行为的大脑活动的理解，”合著者、德克萨斯大学奥斯汀分校的计算神经科学家和助理教授 Xue-Xin Wei 说。

退行性疾病

这些发现对阿尔茨海默病也有重要意义。“阿尔茨海默氏症的第一个自我报告的认知症状之一是人们变得迷失方向和迷失方向，即使在熟悉的环境中也是如此，”布兰登说。

研究人员预计，更好地了解大脑内部罗盘和导航系统的工作原理将导致更早发现和更好地评估阿尔茨海默氏病的治疗方法。