单个神经元和大脑网络如何支持空间导航

空间导航是一种重要的认知功能，在患有神经和精神疾病的患者中经常受损。世界各地的研究小组已经研究了空间导航的神经元基础，并且大脑中单个神经细胞和大细胞集合体的活动似乎在该过程中起关键作用。然而，个体细胞的行为与大细胞网络的行为之间的关系在很大程度上仍未得到探索。

2019年5月24日，国际团队在“认知科学趋势”期刊上提出了关于这一主题的各种理论。评论文章由弗莱堡大学医学中心的Lukas Kunz博士，王亮教授共同撰写。中国科学院在北京，来自波鸿鲁尔大学的Nikolai Axmacher教授以及纽约哥伦比亚大学的同事。

大脑的GPS系统

许多动物研究表明，大脑含有对导航至关重要的专门神经细胞。所谓的位置单元的活动编码个体在空间中的特定位置。“与其他神经细胞一起，如网格细胞，它们构成了大脑中的一种GPS系统，”波鸿神经心理学系主任Nikolai Axmacher解释道。另一方面，对人类的研究通常关注大型神经网络的活动，并确定与空间导航相关的大规模脑区域。

两个研究小组 - 一个在纽约，一个在波鸿，弗赖堡和北京的网络 - 最近相互独立，最近确定了个体细胞规模与网络规模之间的潜在联系。在他们的文章中，团队根据他们各自实验的结果概述了他们的理论。

发现的尺度之间的潜在联系

这些小组分析了所谓的内嗅皮质中细胞集合的节律性大脑活动。这是网格细胞位于大脑中的位置，在动物研究中详细描述了这些网格细胞，并且已经在个体细胞规模上证明了其在空间导航中的功能。研究人员发现了较大的节奏性脑电波的特征，这些特征与之前针对单个细胞所描述的相似。

但是大脑振荡与个体神经细胞活动之间的关系是什么?一种理论假设相邻单元编码相似的位置;这种空间模式可能会反映在振荡中。另一个模型假设在某些方向上导航期间激活的数量不同于其他方向的更多数量的不同单元，这反过来可能导致振荡增加。

“因此，EEG振荡可能构成个体细胞与通常在人体中研究的大规模网络之间的联系，”Axmacher总结道。

替代理论研究人员还概述了一种完全不同的解释：“可以想象，个体细胞规模和网络规模的神经现象根本没有联系，”弗莱堡大学医学中心的神经科学家Lukas Kunz说。“两种尺度都可能成为空间行为的基础，但它们可能并不直接相互关联。”

研究人员打算在下一步验证这些理论。“重要的是要了解更多细节，以便将在动物和人类实验中获得的研究成果整合起来，”作者解释道。“同样重要的是要知道个体细胞规模和网络规模是否由疾病共同或相互独立地影响 - 因此，如果药物治疗会共同或单独影响它们。”

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