网站简历导出,义乌市做网站,做网站设计的电话,素材免费下载网站来源#xff1a;集智俱乐部作者#xff1a;Isabel I. C. Low Lisa M. Giocomo译者#xff1a;赵雨亭 审校#xff1a;张澳 编辑#xff1a;邓一雪 导语老马识途的故事被人们所熟知#xff0c;但其识途的神经机制却尚待研究。1971年#xff0c;研究人员首次发现集智俱乐部作者Isabel I. C. Low Lisa M. Giocomo译者赵雨亭 审校张澳 编辑邓一雪 导语老马识途的故事被人们所熟知但其识途的神经机制却尚待研究。1971年研究人员首次发现大鼠探索环境时其海马体神经元在特定空间位置会被选择性地激活。这一重要发现启发了大脑支持空间记忆的大量后续研究工作并获得2014年诺贝尔生理学或医学奖。近日Nature 杂志撰写评论文章“Fifty years of the brain’s sense of space”回顾了过去50年研究大脑空间感知的重要里程碑。研究领域神经生物学认知地图进化人们几乎所有的意识体验都包含着一种空间感吃饭的餐厅、回家的路线、找到茶杯的地方、导航到自己最喜欢的椅子。这种空间感是人们感知自己位置、记住曾经去过哪些地方并计划未来出行的基础。但是多年来大脑如何产生这种感觉并将其用于记忆或导航一直是个谜。1971 年John OKeefe 与 Jonathan Dostrovsky 发表在 Brain Research 上的一篇具有里程碑意义的论文首次展示了哺乳动物大脑中的神经元如何计算动物的空间感[1]。简要来说John OKeefe 与 Jonathan Dostrovsky 使用几年前开发的微电极来记录来自大鼠大脑的动作电位即神经元的电信号。在研究探索凸台实验的动物时研究人员将微电极定位到位于大脑表面下方称为海马体的区域。在人类和啮齿动物中的研究表明海马体受损会损害记忆和导航[2,3]。在无干扰的环境中——大鼠自发地进食、梳理、喝水、睡觉和自然走动。引人注目的是一些海马神经元的活动与动物在物理空间中的位置密切相关。当大鼠在大部分环境中移动时这些神经元保持沉默但当动物到达凸台时一小部分神经元变得活跃下图。因为当动物只处在某个位置时每个神经元通常会发射动作电位John OKeefe 与 Jonathan Dostrovsky 将这些神经元称为位置细胞place cell并将动物在该环境中神经元表现出最多活动的位置称为神经元位置场place field。图1. 大鼠探索环境时出现在神经元位置场时的动作电位变化。a在一篇发表于1971年的论文中OKeefe 和Dostrovsky记录了大鼠探索一个三边封闭凸台的过程中大脑中的海马体部分神经元的活动即动作电位的信号b作者发现一些神经元只有在大鼠处于环境的特定区域时才会活动。作者将这些神经元称为位置细胞将这一特定区域称为位置场。此处为位置细胞的位置场的示意图该位置场由动物在该区域时动作电位的发生定义。在 OKeefe 和 Dostrovsky 的开创性研究之前研究人员已经提出动物可以通过探索来了解环境特征例如地标与其自身位置之间的关联从而构建外部世界的内部模型或“认知地图”[45]。这种认知地图将允许动物灵活地在它们的环境中导航。位置细胞似乎有可能在其中发挥作用。如果是这样那么位置细胞的活动应该代表对动物位置的更抽象的计算而不仅仅是简单地响应特定的感官线索例如在特定位置的视觉印象。进一步的实验支持了这种可能性表明一些位置细胞在黑暗中保持活跃[6]并且该位置细胞活动在很大程度上是一致的无论动物朝哪个方向前进 [7]。记忆和导航研究领域被点燃最终将位置细胞的作用从定位扩展为空间记忆的潜在基质。几十年来OKeefe 和 Dostrovsky 使用的电极记录方法成为研究海马神经元电信号的主流支持在大量环境和行为任务中稳定、鲁棒地记录位置细胞的活动。使用形状或地标特征不同的环境研究表明位置细胞“学习”环境变化并对其做出反应 [8,9]。例如当老鼠探索完一个方形盒子然后进一步探索一个圆形竞技场时一些位置细胞的位置场会关闭、打开或移动到新的空间位置。这些活动变化导致了一组独特的位置细胞它们在动物探索的每个环境中都处于活跃状态这可以让动物识别当前的环境然后记住访问过的环境。OKeefe 和 Dostrovsky 的原始工作展示了来自八个位置细胞的数据。过去 50 年的技术进步使研究人员能够同时记录成千上万个位置细胞从而深入了解有多少这样的细胞可以协同工作以支持导航和记忆。例如即使单个细胞会改变其活动模式[10]一群位置细胞也可以在好几天中一起保持稳定的相对位置。该技术还揭示了位置细胞反应的丰度多样性。1971 年OKeefe 和 Dostrovsky 发现并非所有位置细胞都对动物的空间位置有反应的迹象后来的工作表明位置细胞信号也可以对应于非空间变量例如特定的气味[11] 、听觉频率[12] 和社会伙伴[13]。这些细胞信号不仅可以代表空间位置还可以代表体验的其他独特方面这强烈表明海马神经元为生成和存储特定体验的记忆提供了基础。过去的几十年里在灵长类动物、大鼠、蝙蝠和鸟类中发现了位置细胞的不同变体[14,15]指出这些细胞是空间记忆背后的进化保留机制。此外John OKeefe 与 Jonathan Dostrovsky 在海马体中发现的位置细胞启发了研究人员探索周围的大脑区域。这导致在内嗅皮质与海马体相邻的区域中分别发现了负责代表动物的位置、方向和奔跑速度[16]以及物体的位置[17]和时间流逝[18]的神经元。在果蝇中也发现了类似于小鼠和大鼠的、对定向相关的神经元反应这表明负责导航的神经元系统可能在进化上具有更古老的起源[19]。哺乳动物的海马体和内嗅皮质共同包含构建认知地图所需的基础神经元。哺乳动物可以灵活地导航、记住和规划它们在世界中的路线。到目前为止大多数研究都描述了位置细胞活动与动物行为之间的相关性。现在研究人员可以在运动的动物中操纵这种活动[20]揭示位置细胞活动、记忆和导航之间的潜在因果关系。例如人为地激活在水源处活跃的位置细胞可以在非水源处唤起饮水行为[20]。遗传、分子和细胞工具的进步无疑将继续将记忆和导航领域推向新的方向这一切都源于位置细胞的发现。参考文献O’Keefe, J. Dostrovsky, J. Brain Res. 34, 171–175 (1971).Kimble, D. P. J. Comp. Physiol. Psychol. 56, 273–283(1963).Scoville, W. B. Milner, B. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 20, 11–21 (1957).Tolman, E. C. Psychol. Rev. 55, 189–208 (1948).Turner, C. H. J. Comp. Neurol. Psychol. 17, 367–434 (1907).O’Keefe, J. Exp. Neurol. 51, 78–109 (1976).Muller, R. U., Bostock, E., Taube, J. S. Kubie, J. L. J. Neurosci. 14, 7235–7251 (1994).Bostock, E., Muller, R. U. Kubie, J. L. Hippocampus 1, 193–205 (1991).Muller, R. U., Kubie, J. L. Ranck, J. B. Jr J. Neurosci. 7, 1935–1950 (1987).Ziv, Y. et al. Nature Neurosci. 16, 264–266 (2013).Wood, E. R., Dudchenko, P. A. Eichenbaum, H. Nature 397, 613–616 (1999).Aronov, D., Nevers, R. Tank, D. W. Nature 543, 719–722 (2017).Omer, D. B., Maimon, S. R., Las, L. Ulanovsky, N. Science 359, 218–224 (2018).Payne, H. L., Lynch, G. F. Aronov, D. Science 373, 343–348 (2021).Las, L. Ulanovsky, N. in Space, Time and Memory in the Hippocampal Formation (eds Derdikman, D. Knierim, J. J.) 431–461 (Springer, 2014).Moser, E. I., Moser, M.-B. McNaughton, B. L. Nature Neurosci. 20, 1448–1464 (2017).Deshmukh, S. S. Knierim, J. J. Front. Behav. Neurosci. 5, 69 (2011).Tsao, A. et al. Nature 561, 57–62 (2018).Seelig, J. D. Jayaraman, V. Nature 521, 186–191 (2015).Robinson, N. T. M. et al. Cell 183, 1586–1599 (2020).参考文献可上下滑动查看原文链接https://www.nature.com/articles/d41586-021-03010-7未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市大脑研究计划构建互联网城市大脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。每日推荐范围未来科技发展趋势的学习型文章。目前线上平台已收藏上千篇精华前沿科技文章和报告。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
