生活中，總是有人方向感特别差，容易迷路，大腦到底靠什麼“認路”？近日，國際頂級學術期刊《尖端科學》線上發表了張生家教授團隊的最新研究成果“軀體感覺皮層中窄調諧的頭方向和頭部角速度細胞”。通過三年時間的反複實驗，陸軍軍醫大學新橋醫院神經外科張生家教授團隊首次發現了老鼠大腦裡不為人知的“指南針”。
△研究人員在避光實驗室裡監測老鼠活動。
張生家教授所在的實驗室坐落在新橋醫院一棟小樓裡，三間相連的房間被他們分割成了多個獨立功能區，兩間做了避光處理的房間是完成這項實驗最主要的區域。“做避光處理主要是因為老鼠是夜行動物，在夜間更活躍，友善我們白天做實驗能模拟老鼠活躍的夜間環境，幫助我們采集到更準确的資料。”該研究論文第一作者龍曉陽博士解釋說。
△安裝了腦機接口的實驗鼠。
這是在2014年諾貝爾生理學或醫學獎所發現的經典空間定位系統之外，張生家教授帶領着他年輕的研究團隊發現的另一套全新的、完整的大腦“指南針”。
張生家教授團隊在臨床研究發現中風患者的海馬·内嗅皮層受損後還能找到回家的路，說明在大腦中可能存在一個尚未發現的“指南針”。另一方面，“軀體感覺皮層”嚴重受損的病人對空間方位的感覺能力急劇下降，說明軀體感覺皮層中可能存在空間方位感覺的新功能。
在這項實驗中，他們先在老鼠頭部植入了能精确探測單個腦細胞的步進微電極。
這樣的腦電信号非常微弱，通常在微伏級别，需要經過多級放大才能觀測到，并且記錄環境和記錄裝置都必須具有很強的抗電磁幹擾能力，一點點幹擾就會讓信号淹沒在噪聲之中。
△實驗人員在分析信号采集後的實驗鼠電生理資料。
△利用植入式腦機接口采集到的實驗鼠腦電波在電腦裡實時顯示。
實驗中将電極與監測裝置連接配接後，讓實驗大鼠在長寬約2米的正方形空間裡自由活動，儀器實時監測實驗大鼠大腦活動的腦電波，能通過電極探測到單個腦細胞發射的電信号，當大鼠頭朝向特定的方向腦電波會被詳細記錄，并發出類似于一串串做爆米花時“嘭、嘭、嘭……”響聲。
△研究人員為實驗鼠喂食餅幹。
“步進微電極從大腦皮層開始一步步從淺層到深層推進，每前進一步精準到25微米，但往往要十天半個月才能有效記錄到一次腦電波的活動，每當聽到這‘爆米花’的聲音都能讓我們興奮一天！”龍曉陽博士介紹實驗過程時說到。
此後，研究人員還将通過顯微鏡下對實驗鼠神經細胞的分布以及步進微電極在大腦裡的軌迹，進一步确認實驗中立體定位的準确腦區。
△研究人員精心喂養實驗鼠。
通過三年多時間對上百隻實驗鼠的反複記錄，張生家教授團隊探索了經典大腦空間導航系統海馬體外的新腦區，在軀體感覺皮層中存在繪制所處具體地點的“位置細胞”、類似于大腦裡指南針的“頭方向細胞”、負責環境邊緣感應和距離推算的“邊界細胞”、相當于空間坐标系的“網格細胞”。
張生家教授介紹，他們進行的這項研究，不僅擴充了傳統空間導航系統的理論，賦予了軀體感覺皮層除編碼觸覺、痛覺、溫度和本體感受以外的新功能，還對神經退行性疾病的研究和治療提供了潛在的新靶向腦區。
△張生家教授帶領的年輕研究團隊。
張生家教授談到該研究的意義時說到：“大腦的空間導航系統與神經退行性疾病密切相關。例如，在老年癡呆症早期，大腦空間定位系統最先受到損傷，其中網格細胞最早出現凋亡及放電異常，導緻患者認知功能出現障礙，找不到回家的路。我們的研究為神經退行性疾病如老年癡呆症的研究和治療提供了新的靶向腦區，未來通過基因治療的方法可以靶向修複受損的網格細胞來延緩和幹預老年癡呆症。”
此外，軀體感覺皮層中新型的空間編碼原理可以啟發類腦智能研究，借鑒神經環路的空間編碼和記憶機制，來開發出更強健、優化和節能的類腦導航系統。
上遊新聞記者 冉文 李奇 通訊員 曾理 攝影報道