Nat Commun丨双重导航之谜：大脑如何整合自我中心与世界中心

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《动物行为实验指南》共674页，涵盖了常见的实验动物，如小鼠、大鼠和斑马鱼，详细描述了每一种行为测试的实验设计、测试设备、实验流程、评估指标、预期结果、常见问题及解决方法、数据分析、模型应用与局限性等各个方面。它通过快速引导，帮助研究人员高效地掌握实验的每个阶段，减少了查阅文献和寻找方法的时间，成为各类科研人员的重要参考资料。 《动物行为实验指南》共计收录了16种动物行为类型，包括焦虑抑郁、学习记忆、痛觉、运动、恐惧、社交、癫痫、操作、成瘾、视觉、痒觉、味觉、嗅觉、睡眠、斑马鱼行为以及常见动物模型等内容。每一类动物行为下，都详细介绍了多个经典的实验范式，涵盖了超过100种实验方法。

啮齿动物的海马体在空间信息编码中扮演着重要角色，尤其是在世界中心坐标系（allocentric，即以他人为中心）中的表现。其中海马体中的位置细胞，以及内嗅皮层中的网格细胞、边界细胞和头方向细胞，被认为共同构成了所谓的“认知地图”，这种地图帮助动物在环境中导航。然而，空间导航和情景记忆功能需要在自我中心（egocentric，即以自我为中心）和世界中心坐标系之间进行相互转换。感官信息以自我中心的参考框架到达大脑，必须转化为视点不变的世界中心编码以形成认知地图；反之，来自认知地图的空间信息必须转化为第一人称的自我中心参考框架，以支持心理图像和空间导航。最近的研究描述了在多个皮层区域中发现的自我中心空间编码，包括背内侧纹状体、顶叶、外嗅皮层、后嗅皮层、后扣带皮层、前额叶和感觉皮层。特别是“中心方位”细胞和“中心距离”细胞在后嗅皮层中被描述为编码动物当前头部方向与记录环境中心之间的角度偏移和相应的距离。同样，自我中心边界细胞在后嗅皮层、背内侧纹状体和后扣带皮层中被描述为编码特定角度偏移和距离处的环境边界的存在。这些表征可以与头方向结合，构建一个世界中心空间地图，并支持导航到环境中的显著位置。尽管在多个皮层区域发现了自我中心的空间编码，但纯粹的自我中心和世界中心空间表征是否在同一局部皮层回路中共存尚未确定。

为了理解大脑如何进行空间导航和记忆，陆军军医大学第二附属(新桥)医院张生家（Sheng-Jia Zhang）团队记录了大鼠在自由觅食时内嗅皮层（medial entorhinal cortex, MEC）深层神经元的放电模式，寻找自我中心编码的证据。尽管大多数细胞编码了世界中心的头方向，但也有相当一部分细胞对纯粹的自我中心方位和与环境中心或边界的距离进行了调谐。这些自我中心空间细胞在黑暗中和不同环境中保持稳定，并在移除局部边界时被破坏，且MEC的自我中心细胞表现出较弱的θ节律性。这些发现揭示出MEC中的空间编码具有统一性，自我中心和世界中心空间表征之间的相互作用可能指导哺乳动物大脑中的高效导航，其研究成果Allocentric and egocentric spatial representations coexist in rodent medial entorhinal cortex已发表在Nature Communications上。

图源 Nature Communications

首先，为了这项研究探讨了内嗅皮层MEC神经元是否编码自我中心信息，研究人员在九只Long-Evans大鼠的MEC中植入了16通道微驱动器，记录了共976个单元的放电模式。结果显示，MEC细胞在世界中心（allocentric）和自我中心（egocentric）参考框架中编码空间信息，大部分细胞表现出稳定的世界中心的头部方向调谐，但也有相当一部分细胞对自我中心方位和距离进行了调谐。这些自我中心细胞编码了相对于环境中心或边界的角度和距离，且在黑暗中和不同环境中保持稳定，并在移除局部边界时被破坏，而且MEC的自我中心细胞还表现出较弱的θ节律性。研究还发现，MEC中的网格细胞和边界细胞与自我中心细胞共存，表明MEC中的空间编码具有统一性，自我中心和世界中心空间表征之间的相互作用可能指导哺乳动物大脑中的高效导航。

图1 MEC中世界中心（allocentric）和自我中心（egocentric）的空间表示方式共存

为了测试MEC自我中心细胞在黑暗中的稳定性，研究人员记录了四只大鼠在光明和黑暗条件下的27组行为学实验。结果显示，头部方向细胞（head-direction cells）在黑暗中保持了其偏好的放电方向，表明它们可以通过自我运动线索在视觉输入减少时维持稳定；同样，中心方位细胞在光明和黑暗条件下的偏好放电方向几乎没有漂移，中心距离细胞在黑暗中也保持了其调谐斜率。这些结果表明，MEC自我中心细胞在视觉输入减少时，能够像之前在后嗅皮层中描述的那样，保持其调谐特性。

图2 MEC以自我中心（egocentric）的空间表示在黑暗中保持稳定

为了研究局部线索是否会影响自我中心中心方位细胞的调谐特性，研究人员记录了四只大鼠在旋转记录环境前后的放电模式。结果显示，MEC头部方向细胞保持了相对于局部视觉输入的偏好放电方向；中心方位细胞相对于环境的偏好放电方向则几乎没有变化，中心距离细胞的调谐特性在旋转的环境中也保持不变。研究人员还进一步记录五只大鼠在方形和圆形场地中的放电模式以探究中心方位和中心距离细胞的调谐是否在不同几何环境中保持稳定。结果发现头部方向细胞在改变记录环境几何形状时保持了其偏好放电方向，而中心方位细胞则在圆形记录环境中保持稳定，中心距离细胞在两种环境中也保持了其距离调谐。这些结果表明，说明MEC自我中心细胞的放电特性与局部环境的几何形状紧密相关，但是对周边环境的几何形状并不敏感，且能够在不同环境中保持其空间调谐特性。

图3 MEC的自我中心性空间表示是与局部环境紧密相关的

图4 MEC自我中心的空间表示对环境几何无感知

已有研究表明，感官输入（如视觉、躯体感觉和前庭传入）可能在生成自我中心空间表征中起关键作用。为了探讨物理边界对MEC自我中心空间调谐的影响，研究人员记录了四只大鼠在标准记录环境和无墙的高架平台上的放电模式。结果显示，缺乏物理边界时，中心方位细胞的响应会被破坏，中心距离细胞的调谐也显著下降；相反，头部方向细胞的调谐不受物理边界缺失的影响，网格细胞的放电模式也保持稳定。这表明MEC自我中心调谐依赖于物理边界，与之前在后扣带皮层中观察到的结果一致。研究还发现，MEC自我中心细胞的调谐曲线会根据环境大小进行调整。研究人员记录了四只大鼠在标准环境（1m × 1m）与较大环境（1.5m × 1.5m）中的放电模式，结果发现中心距离细胞的放电率随着距离的变化在较小环境中更为陡峭，而头部方向细胞和中心方位细胞的偏好放电方向在不同大小的环境中保持不变。这表明MEC中心距离细胞编码的是相对距离，而非绝对距离，并会根据环境大小重新调整其调谐曲线。

图5 MEC自我中心的空间表示在没有物理墙壁的环境中会被削弱

图6 MEC中心距离细胞编码相对距离

尽管MEC局部场电位（LFP）中存在强烈的θ波振荡，但与头方向细胞相比，仅有少部分纯粹的中心方位细胞和结合中心方位与头方向的细胞表现出显著的θ节律性；相反，网格细胞显示出最强的θ节律性，而中心距离细胞和边界细胞的θ节律性则较弱。研究还发现，尽管MEC自我中心细胞的θ节律性较弱，但它们在θ相位锁定方面更为显著，尤其是头部方向细胞、中心方位细胞和中心距离细胞。且除了网格细胞外，MEC神经元在穿越其放电场时，通常不会表现出θ相位提前现象。MEC自我中心细胞的弱θ节律性类似于后扣带皮层（retrosplenial cortex）中的自我中心边界细胞，尽管LFP中存在强烈的θ波振荡。MEC自我中心细胞缺乏θ相位提前现象，暗示它们仅通过放电率编码空间信息，而不利用时间编码的理论优势。

图7 MEC 个体中心的空间细胞很少是θ节律的

图8 功能连接在MEC自我中心和世界中心的空间细胞之间

这项研究揭示了啮齿动物的内嗅皮层（MEC）中同时存在自我中心（egocentric）和世界中心（allocentric）的空间表征，研究发现MEC中的神经元能够编码相对于环境中心和边界的自我中心方位和距离信息，同时也能编码传统的世界中心头方向信息。这种双重空间编码机制有助于大脑在不同参考框架之间进行空间信息的转换，从而支持高效的导航和记忆功能。在未来的研究中，研究人员有望能进一步探索这些空间表征在更复杂导航任务中的作用，以及它们如何在大脑的其他区域进行整合和协同工作。这些发现不仅深化了我们对大脑空间导航机制的理解，还为开发新型导航技术和治疗空间记忆障碍提供了潜在的应用前景。

原文地址

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54699-9

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