当大脑的GPS脱离电网时会发生什么

在今天发表在《自然》杂志上的一项新研究中，魏茨曼科学研究所的研究人员与耶路撒冷希伯来大学的同事合作，首次揭示了大脑的“GPS”系统如何在哺乳动物皮层中表示三维空间。由魏茨曼神经生物学系的 Nachum Ulanovsky 教授领导的研究小组惊讶地发现，这种表示方式与二维空间的表示方式大不相同，将几个长期存在的假设抛诸脑后。

哺乳动物，包括人类，知道它们在太空中的位置，这是由于海马体及其隔壁邻居内嗅皮层(位于大脑深处的区域)中的几种特殊神经元。头部方向细胞，大脑的内部指南针，向动物指示其头部转动的方向。位置细胞被认为是构建环境的心理地图，当动物穿过特定位置时会被激活。相比之下，网格细胞不是对一个位置做出反应，而是对多个这样的位置做出反应，并且它们被认为为大脑提供了各种 GPS 系统。

对网格细胞和大脑 GPS的研究获得了 2014 年的诺贝尔奖。然而，这些研究和其他研究只关注二维如何表示，很少涉及三维空间的表示。为了弥补这一差距，Ulanovsky 及其同事着手阐明网格细胞如何在自由行为的蝙蝠中在三个维度上起作用。

过去，当在二维表面上运行的啮齿动物中研究网格细胞时，发现它们在多个圆形区域中被激活，称为发射场，这些区域以对称的六边形图案排列 - 类似于毫米方格纸 - 平铺表面。这种无与伦比的对称性和周期性表明这些细胞可能参与了构成大脑 GPS 核心的几何空间计算。网格细胞所在的内嗅皮层是阿尔茨海默病首先受到影响的大脑区域，而阿尔茨海默氏症的早期表现之一，空间定向障碍可能是由于网格细胞的功能障碍和丧失网格单元的六角形“毫米纸”。

从数学上讲，在二维空间中排列圆圈的最佳方式是六边形图案，就像蜂窝一样：这可能就是为什么当动物走过二维时，网格细胞的圆形发射场在大脑中以六边形点阵表示的原因表面。因此，研究人员预计三个维度的活动模式也是类似的对称和六边形。“我们和许多其他研究人员假设我们会看到六边形堆叠的球，就像杂货店里的橙子整齐地堆叠在金字塔中，或者任何其他非常有序的三维排列，”乌拉诺夫斯基说。

为了验证这一假设，由博士生 Gily Ginosar 领导的研究人员与科学家 Liora Las 博士一起，记录了蝙蝠在房间内飞行时，头上安装了小型移动设备的网格细胞的活动一个大客厅的大小。不同高度的喂食站确保每只蝙蝠在每次运行中都能覆盖房间的大部分空间。一旦数据开始输入，研究人员就会发现网格单元在响应三维坐标时表现并不如预期。“作为二维活动标志的有序全球网格完全消失了，”乌拉诺夫斯基解释说。

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