更新诺奖发现！《科学》：大脑预测下一步的工具找到了

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2014年，来自挪威的莫泽夫妇（May-Britt Moser与她的丈夫Edvard Moser）和John O’Keefe共同登上科学之巅，分享了那一年的诺贝尔生理学或医学奖。

三位科学家共同揭示了大脑中的“定位系统”。其中，O’Keefe教授在1971年发现了海马脑区中存在一种“位置细胞”（place cell），在个体处于特定空间位置时被激活。30多年后，莫泽夫妇找到了大脑定位系统的另一块重要拼图。在海马与皮层之间的内嗅皮层脑区，他们找到了大脑里的“空间坐标系”——网格细胞（grid cell）。当个体移动时，这类神经元以网格状提供了类似于经纬度的“坐标”，允许个体进行精确的定位和寻路。

▲莫泽夫妇发现了大脑中的网格细胞（图片来源：诺贝尔奖官网）

位置细胞和网格细胞共同组成了大脑中的“GPS”，确定我们所处的位置。如果更进一步思考，除了对当前定位，我们的大脑里是否还有某种系统，可以预测个体未来的位置呢？

在一项发表于《科学》的最新研究中，日本理化学研究所（RIKEN）脑科学中心的两位科学家在已知的网格细胞之外，发现了一种全新的预测网格细胞（predictive grid cell），为空间导航中的前瞻性规划提供支持。

在这项研究中，两位科学家对内侧内嗅皮层（medial entorhinal cortex , MEC）脑区进一步展开分析，来探索这个区域如何创建未来位置的地图。

为此，研究团队设计了一项目标导向行为任务，在一片正方形的开阔平地上，让大鼠在两个水源奖励之间来回走动。两处水源的位置每过一段时间会改变一次，这样大鼠的移动轨迹可以覆盖整个区域。同时，他们使用探针记录大鼠MEC中单个神经元的活动情况。

为了评估MEC神经元能否编码未来空间信息，研究人员分别用大鼠的实际位置、沿轨迹运动前后的位置，来构建神经元放电频率图。

结果，作者观察到一部分MEC神经元在原始位置的放电频率图中没有显示出网格特征，但是在未来位置的放电频率图里，却展现出了明确的网格结构。例如，一些MEC神经元只有在大鼠抵达特定地点之前的30~40厘米处时会被激活，编码这个未来地点的空间信息。

因此，这些神经元似乎预测性地为未来的位置进行编码，这些神经元就被称作预测网格细胞， 一种与莫泽夫妇的发现截然不同的空间系统。

▲预测网格细胞示意图（图片来源：RIKEN）

接下来，研究团队分析了这些细胞进一步编码了什么。作者发现，这些预测网格细胞在预测未来位置时，距离和时间均被编码、用于预测，但在考虑距离时细胞的“网格度”更高。此外，大鼠无论是在前往特定目标还是随机觅食时，都会编码未来位置，这意味着预测网格细胞的功能不仅限于目标导向行为。

综上，这项新研究表明，MEC提供了一张预测图，支持空间导航中的前瞻性规划，并且在时间信息的整合和预测中发挥着重要作用。论文通讯作者Shigeyoshi Fujisawa教授指出，这项研究为海马和MEC回路中的空间导航和情景记忆形成机制提供了重要见解，接下来研究团队希望阐明此类预测网格细胞的组织机制。

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封面图来源：123RF

参考资料：

[1] Ayako Ouchi et al, Predictive grid coding in the medial entorhinal cortex, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado4166

[2] Navigating the future: Brain cells that plan where to go. retrieved 18 August 2024 from https://medicalxpress.com/news/2024-08-future-brain-cells.html

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