Nat Neurosci背靠背 | 唐文博等揭示海马体神经活动如何在内在地图上快速的扫描隐藏目标

即使身处同一个空间，大脑也不会总是使用同一张地图来搜寻空间目标。近日，康奈尔大学（Cornell University）神经生物学与行为学系助理教授Antonio Fernández-Ruiz（一作为博士后唐文博）在Nature Neuroscience 发表了文章Goal-directed hippocampal theta sweeps during memory-guided navigation，发现当隐藏目标的位置组合发生变化时，海马体的导航系统会切换到不同的内部地图（internal maps）；在当前激活的地图上，海马体（hippocampus）神经元活动会在单个 theta （6-12Hz）周期内快速的扫向隐藏目标。

海马体长期被认为是大脑的空间导航系统。20世纪70年代，John O’Keefe及其同事发现海马体的神经元会在动物经过环境中的特定位置时被激活，发放动作电位（spikes）, 从而形成对这个位置特定的表征——这些神经元被称为“位置细胞”（place cells）。这一发现为大脑形成外部空间地图（spatial maps）提供了关键证据，后与内嗅皮层“网格细胞” （grid cells）的发现一起，被称为大脑的“GPS”系统，并获得2014年诺贝尔生理学或医学奖。后续研究表明，动物在环境中探索时，海马体的局部场电位（local field potential, LFP）会呈现明显的theta节律（6-12 Hz）震荡；在每一个theta震荡周期内，海马神经元会在极短时间窗口内形成一串快速活动序列，称为theta序列（“theta sequences” 或 “theta sweeps”）。最新的研究（Vollan et al., 2025）显示，在随机觅食时，这些 theta sweeps 往往在动物前方路径的左右两侧交替扫过，像是在局部采样周围的空间。这种左右交替的sweeps在寻路中一直存在，不随学习经验改变。

在目前Nature Neuroscience 新研究中，动物需要在同一个开放圆形平台上寻找三个隐藏奖励的位置，并返回右侧的 home box （图1a）。关键之处在于，环境本身没有改变，但每个实验阶段的隐藏目标配置（即相对位置）会改变（图1a）。研究发现，海马体并不是简单地利用一个空间地图（spatial map）来“标记”目标位置，而是形成并使用与不同目标配置相对应的 “内部地图”（即潜在地图，latent maps）（图1b）。

该研究进一步发现theta sweeps会利用这些目标相关的“内部地图”。当动物执行由记忆引导的目标导航时，在当下目标配置对应的内部地图上，一部分 theta sweeps 会变得与目标相关，朝向记忆中的隐藏目标位置（图1c）。论文摘要指出，这类目标导向的theta sweeps 随着学习而形成，能预测即将发生的目标导向轨迹，并与前额叶皮层（prefrontal cortex）活动互相协调。有趣的是，当动物跑过一个特定的路线、而后停下来休息或睡眠时，相比于和目标无关的左右交替的theta sweeps，这些朝向目标的theta sweeps更容易在sharp-wave ripples 期间被重放（memory replay；记忆重演），从而帮助巩固对这些目标的记忆。

图1｜改变目标配置驱动海马体切换空间地图，并在当前地图上产生目标导向 theta 序列。a，动物在同一个 cheeseboard 环境中执行记忆引导的目标导航任务，从右侧 home box 出发，寻找三个隐藏奖励后返回 home box。不同 session 中空间物理环境保持不变，但隐藏奖励目标的空间配置发生改变。b， 示意图中，session 1 的目标配置对应灰色内在地图，session 2 对应橙色潜在地图，表示海马体为不同奖励配置形成不同的内部表征，而不是在同一张空间地图上进行局部更新。c，在当前目标对应的潜在地图上，海马体神经元活动在单个 theta 周期内形成快速序列（青色到紫色的线条表示一个 theta 周期中解码出的神经活动轨迹，颜色梯度表示 theta 周期内从早到晚的时间顺序；虚线表示动物当前的运动方向或即将行进的轨迹）。连续 theta 周期中的神经元序列可以扫过动物路径的不同方向：一个 theta 周期扫向路径右侧（①），另一个 theta 周期沿着路径/目标方向扫掠（②），随后一个 theta 周期扫向路径左侧（③）。该示意强调，目标导向导航期间，theta 序列发生在当前任务相关的内部地图上，其中一部分序列会朝向隐藏目标。丨图片来源：唐文博，康奈尔大学。

“我们的结果表明，大脑在同一个物理空间中可以使用不同的内部地图来解决不同的问题，”唐文博说。“当隐藏奖励的配置改变时，海马体可以切换到新的地图；在此之上，快速的 theta 活动就能在这张地图上扫向当前相关的目标位置。”

这项发现为一个长期问题提供了新的线索：海马体中的快速序列究竟只是反映局部空间采样，还是参与更灵活的目标导向导航？同期Nature Neuroscience的 News & Views 文章指出，近期研究在“海马序列是否支持规划”与“是否可由更简单机制解释”之间引发争论，而本期两项研究为解决这一争论提供了重要起点。

研究还把海马体的内部地图、目标方向信号、与前额叶皮层协调以及离线记忆重放联系在一起。换句话说，大脑不仅能记住“空间在哪里”，还能根据“目标在哪里”快速组织同一个空间的不同表征，并利用这个表征对远处的隐藏目标位置进行预测。论文图 1–6 展示了随机觅食中的左右交替 theta 序列、目标导向 theta 序列的形成、相关的神经环路机制、目标导向序列的记忆重放、与前额叶皮层的协调，以及不同任务情境下的内在地图的形成机制。

“我们的研究揭示了一种精确的神经元机制，使动物能够在大脑中模拟可能的空间路径，并从中选择最合适的一条到达目的地，”论文通讯作者 Antonio Fernandez-Ruiz 说。“我们认为，类似的机制也存在于许多其他动物中，包括人类。更进一步，我们的研究提示，同样的脑回路和神经机制也可能支持我们进行‘心理旅行’的能力——也就是利用想象重建过去的经历，或构想未来可能发生的情境；这种能力对于指导决策至关重要。”

该研究的作者包括 Wenbo Tang（唐文博）、Xiyu Mei（梅曦妤）、Ryan E. Harvey、Estrella Carbajal-Leon、Talia Netzer、Hongyu Chang（常宏宇）、Azahara Oliva 和 Antonio Fernandez-Ruiz。研究由 NIH、Whitehall Foundation、Sloan Fellowship、Klingenstein-Simons Fellowship、Pershing Square Foundation’s MIND Prize、Pew Biomedical Scholars Award 和 Klarman Fellowship 等支持。

https://www.nature.com/articles/s41593-026-02364-3

背靠背原文连结：

https://www.nature.com/articles/s41593-026-02365-2

相关新闻请参见：

https://www.nature.com/articles/s41593-026-02366-1

制版人： 十一

参考文献

1. Vollan, A. Z., Gardner, R. J., Moser, M. -B. & Moser, E. I. Left–right-alternating theta sweeps in entorhinal–hippocampal maps of space.Nature639, 995–1005 (2025).

2. Tang W, Shin JD, Jadhav SP. Multiple time-scales of decision-making in the hippocampus and prefrontal cortex.Elife10:e66227 (2021).

3. Tang W, Jadhav SP. Multiple-Timescale Representations of Space: Linking Memory to Navigation.Annu Rev Neurosci.45:1-21 (2022).

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