Nature Neuroscience：拓扑建模首次发现小鼠脑海里的“指南针”

来源：brainnews

原标题：Nature Neuroscience重磅：拓扑建模首次发现小鼠脑海里的“指南针”

常言“看山是山，看山不是山，看山还是山”，大脑如何得知是山非山？神经元是如何将原始的视觉信号转化为某个物体的心理表征？世界不断地以各种各样的信息轰炸着我们的感官，但是大脑从这些信息中萃取其意义的方式仍然未知。

2019年8月12日发表于Nature Neuroscience的一篇文章解释了这一问题，麻省理工学院的神经科学家Sabbi Lall等人发现了一条小鼠大脑中特殊的神经环路，该环路能够将环境中高维的复杂信号转换为简单的抽象对象。研究者们对哺乳动物头部方向电路中的流形结构进行了表征和直接可视化，揭示了这些状态形成了一个拓扑上独特的一维环。

麦戈文研究所的Fiete是这篇文章的作者之一，同时也是麻省理工学院大脑和认知科学系的副教授，她提到外部世界并没有方位标识，我们当前头部的方向信息必须由大脑来提取、计算和评估。这个过程使我们能够证实低维概念的出现，本质即大脑中存在一个抽象的指南针。研究者称该指南针是个代表目前头部相对于外部世界方向的一维环。 

Fiete说：“没有这个环，我们将迷失于这个世界。”

曾有对果蝇大脑的研究揭示过一个类似的神经元椭圆环，代表果蝇头部方向变化，研究人员怀疑这种系统也可能存在于哺乳动物中。 

Fiete使用了一种称为拓扑建模的方法，将大量复杂神经元的活动转换成环形的数据云。类似于在看不到具体模式的情况下，通过追踪沙丁鱼，绘制整个沙丁鱼群位置的点，以及每条鱼相对于其邻居的位置，一种清晰的鱼群活动模式就会浮现出来。这个模型通常构成环形，一个由数百条单独的鱼活动形成的简单形状。

Fiete和她的同事们测量了小鼠在环境中自由活动时，丘脑前背核的数十个神经元的神经活动小时数，丘脑前背核（anterodorsal thalamic nucleus ，ADN）目前被认为在区域空间导航中发挥重要作用。他们绘制了当动物头部改变方向时，ADN回路中的神经元如何进行电活动。最终发现这些数据点一起形成了一个简单而持久的环形云。

挪威卡维利系统神经科学研究所所长Moser未没有参与这项研究，但对其十分关注，他认为以前的数据间接证明存在这样一个环状组织，但现在研究者们才有可能用合适的细胞数量和令人信服的方法地证明其存在。

动物行为十分复杂，该环路通过编码头部方向的这个一维指南针整合动物的速度。如果没有一个能获取整体空间状态的方法，就无法知晓这个由数千个神经元组成的回路编码了动物复杂行为的这一方面，也无法知晓它是否还参与编码了其他行为。拓扑建模方法使得Fiete和同事们能够确定该环路中关键的变量，并接下来致力于通过神经反应来解码这个变量。

即使在快速眼动睡眠期间，没有外部信息的轰击，这个回路仍能够追踪出同一个一维环，如同梦见头部曾经的方向轨迹。

进一步分析表明，该环起能吸引子的作用。如果相关神经元偏离了轨道，它们会被拉回到轨道上，迅速修正。这一特性意味着即使在抽象空间中，头部方向的感知在一段时间内也是可靠稳定的，这是我们保持头部相对于外部世界稳定定位的关键因素。

该研究让我们得以初步了解复杂的感官信息如何在头脑中被提炼成简单的概念，以及这种表达是如何自动修正以维持稳定。但是这项研究的含义不仅仅是头部方向的编码。类似的组织环路还有可能存在于其他认知功能中。挪威科技大学、普林斯顿大学、威茨曼研究所等机构的神经科学家们已在进行相关研究，他们的工作是未来神经解码研究的基础。

大脑以简单的形状解构和代表世界上复杂的事物，多层次分析可以帮助研究者们找到那些形状。

因此这篇文章可能会给许多新的研究提供思路和研究方法上的启示。有了这种方法，就有可能从大脑中提取其确切的抽象表征，甚至可能是思想和梦境。

参考资料：

Chaudhuri R,Gerçek B,Pandey B,et al.The intrinsic attractor manifold and population dynamics of a canonical cognitive circuit across waking and sleep[J].Nature neuroscience,2019.

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编译作者：Juno（brainnews创作团队）