6月10日,陆军军医大学新桥医院神经外科张生家教授团队带领的龙晓阳博士等通过直投方式(Direct Submission),在世界四大著名综合性学术期刊之一的《美国国家科学院院刊》(PNAS,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of American)杂志在线发表了题为“Border cells without theta rhythmicity in the medial prefrontal cortex”(《在内侧前额叶皮层发现无θ节律的新型边界细胞》)的研究论文,该研究首次揭示了在海马体外的内侧前额叶皮层中存在一类编码环境边界的特异性神经元,也被称为边界细胞(border cell),或是为人类找到了一把通往记忆与学习闸门的“钥匙”。

论文在线发表截图(新桥医院供图)

空间导航对我们的日常生活与生存发展至关重要。经典空间导航系统由海马体的位置细胞与内嗅皮层的网格细胞、头方向细胞和边界细胞等构成。对大脑“内置导航系统(GPS)”进行开创性研究的三位科学家JohnO’Keefe,May-Britt Moser和Edvard Moser获得了2014年诺贝尔生理学或医学奖。

正在做试验的张生家教授(新桥医院供图)

此后,越来越多的研究显示,大脑中除经典的海马体以外的区域也参与了空间记忆与导航。内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex,mPFC)在大脑中主要负责编码高级认知功能和情感行为,与计划、决策、注意力、目标导向和社交等密切相关。尽管早期的研究表明,内侧前额叶皮层可能参与编码空间认知与记忆,但其中与空间导航相关的空间细胞一直未被发现。

龙晓阳博士(新桥医院供图)

在本研究中,研究人员将多通道微电极植入大鼠的内侧前额叶皮层中,采集大鼠在清醒自由运动状态下腹背侧单个神经元的电活动信号,发现当大鼠靠近环境的几何边界时,边界细胞会增加放电频率。值得注意的是,绝大多数边界细胞沿着环境的四个边界放电,这与传统的内嗅皮层边界细胞主要沿单边放电的特性形成了鲜明的对比。

在此基础上,研究者还进一步发现,内侧前额叶皮层中同时存在编码世界中心和自我中心空间坐标系的边界细胞,并且左、右大脑半球之间存在明显的分布偏差,这一对侧化分布可能为内侧前额叶皮层自我中心信号的感觉起源提供线索。接着,通过一系列实验,研究者发现边界细胞的自我中心和世界中心调节特性均不依赖于视觉或触觉的直接输入。通过进一步引入新边界、新物体及在高架平台上进行电信号记录,研究者发现内侧前额叶皮层边界细胞对普遍意义上的环境边界均有反应。

最后,研究者意外地发现,在自由觅食行为期间,内侧前额叶皮层中的边界细胞和非边界细胞都很少表现出θ节律性放电,这一结果提示在任务状态下和非任务状态下内侧前额叶皮层的神经网络活动存在显著差异。

θ波是人脑电波的基本波形之一,一般是指持续时间为1/12-1/4秒的一种脑电波成分。频率为4至12赫兹的脑电波节律被称为θ节律。张生家教授介绍,神经振荡在多种高级认知功能中发挥关键作用,其中θ节律是动物在自由运动时大脑局部场电位(local field potential,LFP)中最显著的固有周期性振荡,对于触发深层记忆、强化长期记忆等帮助极大。所以,在科学界又称θ波为“通往记忆与学习的闸门”。

本研究发现在自由运动状态下内侧前额叶皮层中存在一类特异性的边界细胞。更为特别的是,与经典的海马体中单边放电的边界细胞相比,内侧前额叶皮层边界细胞选择性沿着环境的四个边界放电,同时缺乏θ波节律性。考虑到内侧前额叶皮层负责决策和目标导向行为等高级认知功能,这些过程往往涉及感知空间变量,因此,该新发现支持内侧前额叶皮层参与形成与空间情景记忆相关的认知功能,也为空间调谐可能是大脑皮层计算的一个广泛特征提供新的证据。

张生家教授介绍,人类对基础医学的研究就像“剥洋葱”,在成功与失败的尝试中一层层剥掉洋葱皮,一点点加深对自然奥秘的认知。该团队近年来独辟蹊径致力于寻找海马体之外的空间定位系统,相继在躯体感觉皮层中发现一套全新且完整的空间导航系统,相关研究成果分别于2021年和2022年在国际顶级学术期刊《细胞研究》(《Cell Research》)和《尖端科学》(《Advanced Science》)上发表。这次是在经典海马体之外的脑区探索全新的空间导航系统领域中的又一重要突破性研究。

据了解,《美国国家科学院院刊》与《自然》、《科学》、《细胞》齐名,是被引用次数最多的综合学科期刊之一。自1914年创刊至今,该学术期刊提供具有高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、学术论文以及美国国家科学学会学术动态的报道和出版,收录的文献涵盖生物、物理和社会科学等多个学科领域。

编辑:白刁尹
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