Cell:动物瞬间作决策神经基础 脑海马位置细胞切换每秒八次

邓文龙

Cell：揭示动物瞬间作出决策的神经基础!大脑中的位置细胞实时地在当前路径和可能的未来路径之间来回切换

2020-02-08 07:59

2020年2月8日讯/生物谷BIOON/---生存通常取决于动物在一瞬间做出决策的能力，这些决策依赖于对许多种未来的选择方案的设想：如果一只动物被饥饿的捕食者追赶，它是否会向左拐安全回家还是向右拐引领着捕食者远离它的家人？当两条路径在黄色的树林中分开时，哪条路会让它安全去吃食物，哪条路让它成为捕食者的盘中餐？这两条路看起来几乎是相同的，但是设想让一切都不同。

在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校的研究人员通过研究在简单迷宫中行走的大鼠，发现了大脑如何可能产生这些设想的未来情境。这不仅为理解大脑如何做出决定提供新的基础，而且还会为这种设想如何更广泛地发挥作用提供了新的基础。相关研究结果于2020年1月30日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Constant Sub-second Cycling between Representations of Possible Futures in the Hippocampus”。

图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.01.014。

论文通讯作者、加州大学旧金山分校整合神经科学中心生理学教授Loren Frank博士说，“大脑最令人惊叹的能力之一就是设想不在它眼前的东西。设想是决策的基础，但是到目前为止，神经科学还没有很好解释大脑如何实时产生设想的未来来为各种日常决策提供信息，同时又关注现实。”

在这项新的研究中，Frank及其团队让大鼠探索了一个M型迷宫，同时记录了海马体中称为位置细胞（place cell）的神经元的放电。人们传统上认为位置细胞可追踪动物的位置，就像大脑GPS（全球定位系统）一样。但是，当这些大鼠接近迷宫中的分叉处时，他们发现了它们的位置细胞活性开始以每秒八次的速率非常快地在代表动物的当前位置和它的两条可选择的未来途径之间来回切换，就好像在说，“我向左走，还是向右走？”

Frank团队还将这一发现扩展到了另一种类型的设想情境中。除了位置以外，还已知位置细胞可以跟踪动物的行进方向。他们发现，指示相反行进方向的位置细胞也可以非常快速地来回切换，好像在说：“我要走这条路，但我也可以转身走另一条路。”

论文第一作者、Frank实验室研究生Kenneth Kay博士说，“这些位置细胞在当前路径与未来的可能路径之间的快速切换是准确无误的，这是因为它们是如此有规律。鉴于无论是对动物还是对人类，速度加上一致性正是在任何现实环境中所需要的，这是令人兴奋的。”

Kay及其同事们发现，位置细胞在当前路径和可能的未来路径之间的振荡似乎并不能直接控制大鼠对选择哪种路径的决策，但是随着大鼠接近决策点而变得更加强。这提示着海马体在决策中的作用可能是为大脑其他部分产生一个设想情景的“菜单”，这会将作出的选择与过去经验的价值或潜在危险关联起来，然后根据动物的当前状态---饥饿、口渴、害怕或大胆---做出适当的决定。

Frank说，“我们认为这表明海马体不仅负责记录过去和处理现在，而且还负责设想未来。这项研究只是第一步，但是它为我们研究动物做出决策时如何在大脑中产生和评估设想的情境开辟了新的途径。”

新研究提示着海马体是设想未来情境的源泉

海马体是大脑两侧颞叶深处的海马状结构，是大脑中研究最深入的部分之一。

海马体损伤---无论是由于大脑损伤还是在阿尔茨海默病等疾病中---让人们丧失了形成新记忆的能力，从而导致20世纪的科学家们将海马体描述为大脑的记忆中心。在1970年代，科学家们发现了海马体位置细胞，当动物探索新环境时，这些位置细胞会自发创建新环境的地图，然后将这些地图存储起来以备后用。这项发现促使科学家们认识到海马体也是一个导航中心，比如，负责让动物找到回到它记得去年夏天吃了那些美味黑莓的地方。

沿着这些思路，Frank等人的先前研究已表明位置细胞活性可以重现动物的近期运动，甚至可以预测动物下一步可能去的地方，但是这种活性只是间歇性地观察到，并被认为动物在在积极考虑下一步行动，通常是当动物在运动过程中休息或暂停时（Nature, 2016, doi:10.1126/nature17144）。

这项新的研究首次展示了海马体细胞如何随着时间的推移连贯性地系统性地代表不同的设想情景。这些研究人员说，这样的系统可能允许行动中的动物根据这些设想的不同情境立即做出极其迅速的决策，同时还可以追踪动物的当前状况。它甚至可能在大脑更广泛地产生假设情景或思想的能力中发挥作用。

Kay说，“这种在当前和可能的未来（或者说实际与设想）之间的有规律切换看起来就像是一个产生大量想法的强大系统，而不仅仅是机械地记忆或预测。海马体可能是我们想象能力的根源。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Kenneth Kay et al. Constant Sub-second Cycling between Representations of Possible Futures in the Hippocampus. Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.01.014.
https://www.cell.com/cell/fullte ... 11%3Fshowall%3Dtrue

2.Brain's 'GPS system' toggles between present and possible future paths in real time
https://medicalxpress.com/news/2 ... s-future-paths.html

http://news.bioon.com/article/6750079.html



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