大脑中，三维运动如何体现？

蝙蝠

二维与三维方式对比图

当地时间8月12日，魏茨曼科学研究所与耶路撒冷希伯来大学的研究人员在《自然》杂志上合作发表论文，首次揭示了哺乳动物的大脑皮层是如何利用“GPS”表示三维空间的。这支由魏茨曼神经生物学系教授Nachum Ulanovsky领导的研究小组惊讶地发现，三维空间的表示方式与二维空间的表示方式并不相同。

哺乳动物知晓自身所处的空间位置，这要归功于海马体和大脑深处的内嗅皮层区域内的几种特殊类型神经元：头朝向细胞——大脑内的“罗盘”，向动物指示头部的朝向；位置细胞——会在动物经过某个位置时激活；网格细胞——对多个位置作出反应，为大脑提供某种GPS系统。

针对二维表面上跑动的鼠类研究曾表明，大脑中一些被称为“发射场”的圆形区域内的网格细胞会在实验鼠移动时激活。从数学上讲，在二维空间中囊括圆形的最佳方式是六角形图案（比如蜂巢）。这可能就是为什么当动物在平面上行走时，网格细胞的圆形发射场会在大脑中以六角形排列。由此，研究人员预计三维的活动模式同样是对称的六边形。

为验证这一假说，研究人员记录了蝙蝠大脑内网格细胞的活动。这些蝙蝠的头部装有小型移动设备，一直在一个客厅般大小的房间中飞来飞去。数据开始输出后，他们发现，网格细胞对三维坐标的反应并不似预期。Ulanovsky说：“作为二维活动标志的有序网格完全消失了。”与之相反，网格细胞的三维发射场就像一个装满弹珠的盒子，虽然并不是完全无序的，但肯定比六边形栅格更没有组织性。新的排列方式让弹珠有了一些额外的自由度。不过，即使缺乏任何明显的球形秩序，这些球体还是维持了局部秩序——一个球体与其临近球体的距离始终保持不变。

研究人员开发的理论模型显示，网格细胞的发射场似乎以一种与粒子一样的方式相互作用着：当距离较远时，它们彼此吸引；而一旦距离太近，彼此又排斥了。这种平衡可以解释为何球体在保持恒定距离的同时，没有形成任何整体秩序。

综上所述，这些令人惊讶的实验数据和理论模型为研究三维导航的神经基础、网格细胞在认知过程中所扮演的角色提供了一种新的方法。

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编译：橘子  审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：https://medicalxpress.com/news/2021-08-brain-gps-grid.html

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