作者:王成等 来源:《神经元》 发布时间:2023/12/15 13:30:46
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大脑中的“GPS”赋予高级空间感知能力

 

太阳的东升西落,城市的东西南北,过马路要左右看……在人们的日常生活中,大脑的空间感知作用扮演着重要角色。无论是寻找方向、定位目标还是记忆场景,都需要大脑对空间信息的处理和记忆。然而,这个过程是如何在大脑中发生的?

北京时间12月14日晚,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员王成团队和南方科技大学生命科学学院助理教授陈小菁团队的最新研究成果发表于《神经元》。

研究团队发现,在大脑有着“GPS”导航功能的自我中心神经元(Self-Centered or egocentric neuron),它们不仅在神经元的突触层次的信息传递过程中呈现功能聚类,还能够在不同的场景中募集独立的神经元群体,在大脑处理高级空间信息的过程中发挥重要作用。该研究对理解生物体如何编码处理空间信息,构建抽象的空间感知有重要启发,有望为人工智能领域类脑智能算法的设计和研究带来新思路。

“这是一个技术上非常优秀的项目,它产生了关于大脑皮层的宝贵数据,由于其在空间认知和记忆中的重要性,该脑区目前引起了相当大的兴趣。是一项非常重要的科学贡献。”审稿人对该研究评价道。

深圳先进院脑所助理研究员程宁、研究助理董奇琦、博士后张真(已出站)为共同第一作者,深圳先进院脑所研究员王成、南科大生命科学学院助理教授陈小菁为论文共同通讯作者。深圳先进院为该成果第一单位。

大脑中的“GPS”神经元

大脑如何识别“前后左右”和“东西南北”的位置?

科学家们认为,在人的大脑中,有一类特殊的自我中心神经元,它们和世界中心神经元种类(world-centered, or allocentric neuron),如位置细胞和网格细胞等,共同行使了大脑“GPS”导航的功能。自我中心神经元可以感知和编码外部物体和环境信息,并在大脑中形成“前后左右”坐标系,帮助我们识别周围环境中的物体的位置和方向,并执行导航任务。

“这种编码方式以个体的主观视角为参考系,叫做自我中心或者主观编码机制。”论文共同通讯作者王成解释道,当人的眼睛在接收到物体信息之后,大脑会对其进行编码,辨别方向并找到目标,其中就包括了自我中心编码和世界中心编码两种方式。

而世界中心编码方式则以外部环境为参考系,将感知到的外部信息编码成类似“东西南北”的坐标系。“世界中心的编码方式是建立在自我中心编码的计算和转换上的。换言之,相比起处理 ‘前后左右’的位置信息,大脑在处理‘东西南北’的位置信息要经过更为复杂的编码过程。”王成解释道。

近年来,科学家们对自我中心编码机制进行了一些探索,但对于大脑中自我中心编码机制如何处理不同场景中不同物体的信息仍然知之甚少。

一直以来,王成与陈小菁长期从事空间信息处理的神经机制研究,他们在前期工作中发现,海马体的主要输入脑区——外侧内嗅皮层和内侧内嗅皮层,分别采用自我中心和世界中心编码空间信息,相关成果在2018年发表于《科学》杂志。

为进一步探索多场景多物体的自我中心编码机制,2019年,王成在完成美国约翰霍普金斯大学的博士后工作之后,回国来到深圳先进院,组建团队开展空间感知领域研究。

“空间感知研究中,跨学科交叉很重要。如今国内在神经科学的交流很活跃,越来越注重多学科合作,这是我回国的重要原因。而深圳是一个充满活力的地方,将为空间感知研究带来更多新的可能性,碰撞出新的火花。”王成说道。

论文通讯作者王成(左三)与论文共同第一作者程宁(左一)、董奇琦(左二)科研团队供图

高级空间感知的“指挥官”

在该研究中,王成与研究团队从实验手段开始创新。他们首先开发了虚拟现实行为范式,运用在体单/双光子显微镜技术,记录和研究了在虚拟现实场景中,小鼠的自我中心神经元在旷场自由觅食、虚拟现实导航任务中的功能关系。

“我们分析了小鼠的行为数据和神经元生理数据,来了解小鼠神经元对外界刺激的偏好性,并进一步解析了小鼠自我中心神经元在亚细胞层次的组织结构。”论文共同第一作者程宁介绍,研究结果发现,自我中心神经元的树突中具有显著自我中心调谐的功能聚类,这表明其可能存在专门的神经功能通道用于处理不同场景中物体的位置信息。

进一步地,研究团队比较了小鼠在两个任务中不同物体的自我中心编码机制,发现在截然不同的空间导航任务中,相互独立群体的自我中心神经元会分别编码不同场景中的物体。

“也就是说,自我中心神经元在不同场景不同物体的这种高级空间感知上发挥重要作用,可以帮助大脑辨别不同物体相对自身的‘前后左右’的位置。”论文第一作者程宁解释道。

自我中心细胞和世界中心神经元共同构成大脑空间感知的“指挥官”。当人们要往东边走时,世界中心神经元就会帮助人们辨别“东”的位置,并导航到目标位置的指挥官;另一方面,如果人们要向左走,自我中心细胞它们会辨别“左”的位置并完成导航任务。

为何这群神经元有着如此特殊的功能?“这可能是人们在进化和发育成长过程,在特定规律下形成的神经元类型决定的。”王成介绍。

在该研究中,研究团队首次解析了自我中心神经元在亚细胞层次的组织结构,并发现其在不同场景下,自我中心神经元在结构功能上的变化,对人工智能领域类脑智能算法的设计和研究具有重要的借鉴意义。

“大脑如何通过神经网络实现空间认知,这种认知过程又与人类的导航、方向感知等行为有何关联等等。这些问题的解决将有助于人们更好地理解大脑的工作原理和认知过程,为人工智能发展提供新的思路和方法,让机器更好地模拟人类的空间认知和行为决策,从而提升机器的学习能力和智能水平。”王成说道。

王成表示,此次研究团队只在神经细胞的亚细胞层次结构组织进行了功能机制的解析,对于神经元是如何具体运作并发挥功能,其在整个神经网络体系中发挥怎样的作用等,仍需要进一步探究。未来,构建更大的神经网络模型,将是研究团队的重要研究方向。(来源:中国科学报 刁雯蕙)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.11.018

 
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