“人類大腦中有大約 860 億個神經元，這一數字接近銀河系中恒星的數量。從某種角度來講，每個人的大腦都宛如一個深邃無垠的宇宙。”
對于研究神經成像的上海科技大學周甯教授來說，我們的大腦既神秘、又浪漫。
圖 | 周甯（來源：周甯）
而在最近，她和團隊在這片“腦宇宙”裡挖掘出了新的寶貝：發現一類新型海馬體神經元類别。
“這些細胞似乎能将生物體的外部客觀資訊和内在主觀意圖緊密相連。它們不僅映射空間資訊，還同步表征了動物的探索意圖。”周甯說。
與此同時，這些神經元的編碼機制依賴于外側内嗅皮層的資訊輸入，為了解大腦如何整合外界環境資訊與内在主觀意圖提供了新思路，也為了解海馬體中位置細胞的功能提供了全新視角。
據了解，已有學者發現海馬體病變和海馬體功能，和很多腦疾病的存在重要聯系，包括阿茲海默病、癫痫和精神分裂症等。
而了解海馬體的編碼和記憶機制，将有助于發展新型腦疾病診斷标記物、開展腦機接口研究、以及開發新藥靶點等。
大腦的“導航之謎”
在神經科學領域，人們一直被這樣一個有趣的問題所困擾：大腦如何确定生物體在空間中的位置，并利用這一資訊進行導航？
憑借在這一領域的顯著成就，英國科學家約翰·奧基夫（John O'Keefe）教授、與挪威科學家愛德華·莫澤（Edvard Moser）和邁-布裡特·莫澤（May-Britt Moser）夫婦（現已離婚），于 2014 年共同獲得諾貝爾生理學或醫學獎。
早在 1971 年，約翰·奧基夫教授就在研究大鼠時發現了海馬體（hippocampus）内一種特殊的神經元，并将其命名為“位置細胞”。
當人們将記錄電極植入大鼠的海馬體來追蹤神經元的活動時，可以觀察到每個位置細胞僅在大鼠穿過某個特定區域時激活。
換句話說，每一個位置細胞對應着空間中的一個特定區域，它們構成了動物大腦映射外部空間資訊的一種索引機制。
有趣的是，人腦中也存在着類似的定位細胞，這些細胞共同構成了人腦對于外部世界的“認知地圖”。
多年來，科學家從未停止對于位置細胞形成機制和功能的探索。
比如，海馬神經元是否隻局限于表征空間位置？它們是否同樣訓示時間、甚至是更為抽象的概念？
這些神經元是否僅僅作為外部世界在大腦中的映射存在？或者它們也會受到生物體心理狀态的影響和調節？
更進一步，海馬神經元是否有能力同時編碼外界客觀資訊和大腦主觀意向？
正是這些問題不斷激發着人們不斷地探索。而對這些疑問的解答，可能會幫助我們更進一步地揭開大腦認知的深層奧秘。
大腦如何編碼資訊？
對于周甯來說，她從大學開始就開始研究所學生命科學。此前，在北京大學生命科學學院讀完大學之後，周甯在加拿大不列颠哥倫比亞大學（UBC，University of British Columbia）獲得神經科學博士學位。
2011 年，周甯在位于中國台灣的中國醫藥大學獨立建組。2019 年，她加入上海科技大學 iHuman 研究所擔任獨立課題組長。
長期以來，她緻力于通過熒光成像和電生理等技術，開展神經生理學和病理學相關的基礎研究。
比如，在攻讀博士期間，周甯常常借助雙光子熒光顯微鏡技術，對那些被熒光訓示劑标記的腦片組織進行成像記錄。
她經常觀察到活腦片細胞中的鈣離子熒光強度随着腦細胞的活動變化而忽明忽暗，此起彼伏、如同遙遠星空中星辰的閃爍，這讓周甯非常着迷。
如前所述，人類大腦有約 860 億個神經元。而在活體動物中，這些錯綜複雜的神經元網絡背後所的隐藏的信号，是了解大腦如何編碼資訊的關鍵所在。
是以，周甯的研究方向逐漸聚焦于通過動物活體的神經成像技術，去深入研究大腦是如何編碼這些複雜資訊的。
“每一次分析神經元中的鈣離子活動，都仿佛是在破解大腦的密碼一樣，既充滿未知、又無比振奮人心。”她說。
而此前關于海馬體的研究，揭示了位置細胞可能會随着動物的覓食動機或注意力狀态而調整。
例如，在動物搜尋食物時，海馬體可能會激活更多的位置細胞以标記食物的具體位置。
同樣地，當外部環境發生變化，吸引了動物對變化信号的注意時，位置細胞的數量和活動也可能相應地調整。
這些研究使周甯産生了一個疑問：在生物體既不被食物驅動、也不被外部刺激所吸引的情況下，它們的主觀意願能否被海馬神經元編碼？
想象一下：當我們每天沿着熟悉的道路去上班或上學，都會路過街角一個熟悉的雕像，有一天我們突然決定停下來仔細觀賞它，這時海馬體的神經編碼會不會與往常有所不同？
是否有一群神經元能夠同時編碼這個雕像的位置和我們的探索意願？如果答案是肯定的，那麼這些神經元有可能指引我們去哪裡以及做什麼。
這一問題讓周甯團隊充滿了激情，尤其是博士生曾一凡對此表現出濃厚興趣。經過一番深思熟慮，他們設計了一個精巧的實驗來探究上述問題。
具體來說，其建構了兩個設有環形跑道的行為箱，訓練小鼠沿着相同方向奔跑，并在每完成一圈時在固定的位置給予一顆奶粉球作為獎賞。
同時，在其他三個位置擺放了不同形狀和不同顔色的物體，允許小鼠在靠近這些物體時停下來進行觀察和探索、或者選擇忽略物體繼續跑動。在這兩種情況之下，小鼠所經過的路徑都高度一緻。
（來源：Nature Communications）
在實驗開始前幾周，他們在小鼠的頭部植入了一枚梯度變折射率透鏡（Grin Lens），并将海馬體神經元标記上鈣離子熒光訓示劑 GCaMP6f。
這樣，當小鼠進行各種行為時，就能通過頭戴式微型顯微鏡，實時地記錄海馬體神經元的活動情況。
微型顯微鏡技術，是近年來神經生物學領域湧現的一項突破性實驗技術。盡管重量不到 3 克，它卻內建了傳統顯微鏡的關鍵功能元件。
這讓其能對大約 0.4 平方毫米的大腦區域進行亞細胞級别的高速成像，并能夠同步捕獲超過 200 個神經元的資料。
得益于其輕盈的設計，小鼠可以在幾乎不受限制的自然狀态下攜帶此顯微鏡開展自由活動，確定了小鼠動作和小鼠行為的自然性。
在課題組設計的行為箱中，小鼠可以自主選擇是否探索接近的物體。
在用錄影機拍攝小鼠行為表現的同時，該團隊通過微型顯微鏡，來記錄海馬體神經元的鈣信号活動。
通過對所收集資料進行深入分析，能夠識别出非常典型的位置細胞，這些細胞的特性和此前報道的傳統位置細胞高度吻合。
（來源：Nature Communications）
而令課題組振奮的是：在那些典型的位置細胞之外，他們發現了一群獨特的海馬神經元，這些細胞僅在小鼠探索特定位置時才激活。
但是，在小鼠經過同一地點但不進行任何探索行為時，這些細胞幾乎是沉默的。
這種特殊的細胞功能此前并未被提及過，是以他們将其命名為探索依賴性位置細胞（oePC，object exploration-dependent place cells）。
（來源：Nature Communications）
随後，他們又建構了一系列實驗，旨在研究 oePC 是如何聯合編碼探索意圖和空間資訊的，并嘗試解釋其背後的機制。
通過分析 oePC 的激活時間點和與小鼠對物體探索的行為，他們觀察到這些細胞的活躍期通常發生在動物的探索行為前（中位數 0.8 秒左右），且距離物體大約 3 厘米時發生，這意味着 oePC 的激活實際上早于實際的探索行為。
進一步研究 oePC 的位置場特性時，該團隊發現當物體從其原始位置移動 0.5 厘米、1 厘米、2 厘米或 4 厘米時，oePC 的活動強度随着移動距離的增加會逐漸減弱甚至消失，這說明 oePC 具有特定位置進行編碼的能力。
用全新物體替換掉舊物體時，oePC 的活動模式并未出現顯著變化。
令人費解的是，早先研究曾指出更換環境中的物體，會使得傳統位置細胞的活動發生明顯改變，那麼為何 oePC 不發生變化呢？
這時，他們首先要考慮是：是否新舊物體對于小鼠來說過于相似，以至于它們無法區分？
為了排除這種可能，課題組精心挑選了一系列形狀、顔色等方面截然不同的複雜物體對小鼠進行測試。然而，即便如此，oePC 的編碼仍然不産生明顯變化。
而進一步分析那些具有相同位置場的傳統位置細胞時，他們發現這些細胞對于物體的更換确實産生了顯著的編碼差異。
這一對比結果清晰地表明，與傳統位置細胞不同，oePC 似乎并不對物體本身的特征進行編碼。
在另一項實驗設計中，該團隊将物體巧妙地掩藏在隔闆後，這樣一來隻有當小鼠表現出探索的主動性并穿過一個小門去搜尋時，它們才能見到這些物體。
有趣的是，他們觀察到即使在小鼠接近但尚未直接看到物體的時候，oePC 便已經預先活動起來。
（來源：Nature Communications）
當那些熟悉的物體意外被移走，或是在相同的位置突然将物體換成食物時，oePC 的活動開始顯著減少。
這一現象表明，這些細胞并不是在編碼環境信号的變化，也不是在表達對潛在獎賞的期待。
為了進一步研究 oePC 的特點，課題組設計了一系列實驗，包括連續幾天的成像觀察、以及行為箱環境變換測試。
這時，oePC 與經典位置細胞顯示出相似的模式，也就是說 oePC 的神經元活動在熟悉環境中，會表現出一定的穩定性。而在新環境中則顯現出重新程式設計的潛力。
最後，他們着手探讨了外側内嗅皮層（LEC，lateral entorhinal cortex）至海馬體的輸入回路對 oePC 編碼能力的影響。
通過在 LEC 表達抑制性的化學遺傳學蛋白 hM4Di，并給小鼠注射其特異性配體——疊氮平-N-氧化物（CNO，clozapine-N-oxide），以便來抑制 LEC 神經元的活動。
實驗發現當 LEC 的功能受到抑制時，oePC 的活動模式受到了顯著的幹擾。相比之下，那些表達對照蛋白的小鼠中，oePC 則沒有受到影響。
這一發現強烈表明，探索意圖的信号是通過 LEC 傳遞到海馬區域神經元的。
自己動手“當焊工”
另據悉，微型顯微鏡的自主搭建——是本次課題得以順利完成的關鍵事件之一。
周甯說：“這套顯微鏡基于美國加州大學洛杉矶分校 miniscope 的開源項目，它的架構和原理對我來說并不陌生，我以前曾親手搭建過一台雙光子熒光顯微鏡系統，并在此前積累了一定的光學技術和實踐經驗。”
然而，在搭建微型顯微鏡的過程中，周甯遇到了一個意想不到的挑戰。
由于這台顯微鏡體積之小、結構之精密，她需要在不足一毫米寬的接口上進行電子焊接。
這時問題來了：課題組的電烙鐵尖端直徑超過了幾個毫米，這意味着操作空間極小，稍有不慎就可能導緻短路、焊點不牢固甚至燒毀晶片。
對于一個以生物學為背景的研究者來說，這樣的技術要求無疑是一個巨大的挑戰。
為此，她不斷嘗試各種手法，甚至考慮是否要去電子制造廠的流水線上取經。經過多次試驗和失敗，周甯終于掌握了焊接要點。
“現在在團隊中我的技術還是算數一數二的，也算是個熟練工了，是以還得繼續承擔微型顯微鏡的日常維護工作。”她表示。
總之，在種種努力之下她和團隊終于揭示了一群新型海馬神經元（oePC）的存在。
日前，相關論文以《海馬體探索意圖和空間資訊的聯合編碼》（Conjunctive encoding of exploratory intentions and spatial information in the hippocampus）為題發在 Nature Communications[1]上。
曾一凡是第一作者，周甯擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
總的來說，随着近期科學界在海馬體功能研究領域取得的一系列突破性成果，人類對這一神秘腦區的認知逐漸深化。
例如，人們發現小鼠的海馬神經元能夠對抽象認知變量進行編碼，以及通過海馬腦機接口技術實作小鼠自主要制虛拟物體至指定位置的實驗。
盡管如此，人類對于海馬體的了解仍然宛如冰山一角。
海馬體如何映射外部世界，并将這些資訊轉化為個體的主觀意識和行動，是揭示動物乃至人類認知與行為核心機制的關鍵問題。
是以，周甯希望繼續揭開海馬體功能的神秘面紗，不僅有助于人類了解大腦的工作機制，還可能為治療相關神經疾病提供新的思路和政策。
具體來說，她計劃深入探究這類神經元在腦部疾病中扮演的角色，特别是考察自閉症個體較少的環境探索行為是否與 oePC 神經元的功能異常存在關聯。
此外，其也期望能與計算神經生物學領域的其他團隊合作，利用閉環控制等先進算法對 oePC 進行實時調控，進而精确地研究它們對動物行為的影響。
以及希望通過合作來完善神經網絡模型，進而模拟海馬體的複雜功能，進一步地解開大腦運作的秘密。
參考資料：
1.Zeng, YF., Yang, KX., Cui, Y. et al. Conjunctive encoding of exploratory intentions and spatial information in the hippocampus. Nat Commun 15, 3221 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47570-4
營運/排版：何晨龍