大腦中的“GPS”賦予高級空間感知能力

　　太陽的東升西落，城市的東西南北，過馬路要左右看……在人們的日常生活中，大腦的空間感知作用扮演著重要角色。無論是尋找方向、定位目標還是記憶場景，都需要大腦對空間信息的處理和記憶。然而，這個過程是如何在大腦中發生的？

　　北京時間12月14日晚，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所研究員王成團隊和南方科技大學生命科學學院助理教授陳小菁團隊的最新研究成果發表于《神經元》。

　　研究團隊發現，在大腦有著“GPS”導航功能的自我中心神經元（Self-Centered or egocentric neuron），它們不僅在神經元的突觸層次的信息傳遞過程中呈現功能聚類，還能夠在不同的場景中募集獨立的神經元群體，在大腦處理高級空間信息的過程中發揮重要作用。該研究對理解生物體如何編碼處理空間信息，構建抽象的空間感知有重要啟發，有望為人工智能領域類腦智能算法的設計和研究帶來新思路。

　　“這是一個技術上非常優秀的項目，它產生了關于大腦皮層的寶貴數據，由于其在空間認知和記憶中的重要性，該腦區目前引起了相當大的興趣。是一項非常重要的科學貢獻。”審稿人對該研究評價道。

　　深圳先進院腦所助理研究員程寧、研究助理董奇琦、博士后張真（已出站）為共同第一作者，深圳先進院腦所研究員王成、南科大生命科學學院助理教授陳小菁為論文共同通訊作者。深圳先進院為該成果第一單位。

　　大腦中的“GPS”神經元

　　大腦如何識別“前后左右”和“東西南北”的位置？

　　科學家們認為，在人的大腦中，有一類特殊的自我中心神經元，它們和世界中心神經元種類（world-centered, or allocentric neuron），如位置細胞和網格細胞等，共同行使了大腦“GPS”導航的功能。自我中心神經元可以感知和編碼外部物體和環境信息，并在大腦中形成“前后左右”坐標系，幫助我們識別周圍環境中的物體的位置和方向，并執行導航任務。

　　“這種編碼方式以個體的主觀視角為參考系，叫做自我中心或者主觀編碼機制。”論文共同通訊作者王成解釋道，當人的眼睛在接收到物體信息之后，大腦會對其進行編碼，辨別方向并找到目標，其中就包括了自我中心編碼和世界中心編碼兩種方式。

　　而世界中心編碼方式則以外部環境為參考系，將感知到的外部信息編碼成類似“東西南北”的坐標系。“世界中心的編碼方式是建立在自我中心編碼的計算和轉換上的。換言之，相比起處理 ‘前后左右’的位置信息，大腦在處理‘東西南北’的位置信息要經過更為復雜的編碼過程。”王成解釋道。

　　近年來，科學家們對自我中心編碼機制進行了一些探索，但對于大腦中自我中心編碼機制如何處理不同場景中不同物體的信息仍然知之甚少。

　　一直以來，王成與陳小菁長期從事空間信息處理的神經機制研究，他們在前期工作中發現，海馬體的主要輸入腦區——外側內嗅皮層和內側內嗅皮層，分別采用自我中心和世界中心編碼空間信息，相關成果在2018年發表于《科學》雜志。

　　為進一步探索多場景多物體的自我中心編碼機制，2019年，王成在完成美國約翰霍普金斯大學的博士后工作之后，回國來到深圳先進院，組建團隊開展空間感知領域研究。

　　“空間感知研究中，跨學科交叉很重要。如今國內在神經科學的交流很活躍，越來越注重多學科合作，這是我回國的重要原因。而深圳是一個充滿活力的地方，將為空間感知研究帶來更多新的可能性，碰撞出新的火花。”王成說道。

　　論文通訊作者王成（左三）與論文共同第一作者程寧（左一）、董奇琦（左二）科研團隊供圖

　　高級空間感知的“指揮官”

　　在該研究中，王成與研究團隊從實驗手段開始創新。他們首先開發了虛擬現實行為范式，運用在體單/雙光子顯微鏡技術，記錄和研究了在虛擬現實場景中，小鼠的自我中心神經元在曠場自由覓食、虛擬現實導航任務中的功能關系。

　　“我們分析了小鼠的行為數據和神經元生理數據，來了解小鼠神經元對外界刺激的偏好性，并進一步解析了小鼠自我中心神經元在亞細胞層次的組織結構。”論文共同第一作者程寧介紹，研究結果發現，自我中心神經元的樹突中具有顯著自我中心調諧的功能聚類，這表明其可能存在專門的神經功能通道用于處理不同場景中物體的位置信息。

　　進一步地，研究團隊比較了小鼠在兩個任務中不同物體的自我中心編碼機制，發現在截然不同的空間導航任務中，相互獨立群體的自我中心神經元會分別編碼不同場景中的物體。

　　“也就是說，自我中心神經元在不同場景不同物體的這種高級空間感知上發揮重要作用，可以幫助大腦辨別不同物體相對自身的‘前后左右’的位置。”論文第一作者程寧解釋道。

　　自我中心細胞和世界中心神經元共同構成大腦空間感知的“指揮官”。當人們要往東邊走時，世界中心神經元就會幫助人們辨別“東”的位置，并導航到目標位置的指揮官；另一方面，如果人們要向左走，自我中心細胞它們會辨別“左”的位置并完成導航任務。

　　為何這群神經元有著如此特殊的功能？“這可能是人們在進化和發育成長過程，在特定規律下形成的神經元類型決定的。”王成介紹。

　　在該研究中，研究團隊首次解析了自我中心神經元在亞細胞層次的組織結構，并發現其在不同場景下，自我中心神經元在結構功能上的變化，對人工智能領域類腦智能算法的設計和研究具有重要的借鑒意義。

　　“大腦如何通過神經網絡實現空間認知，這種認知過程又與人類的導航、方向感知等行為有何關聯等等。這些問題的解決將有助于人們更好地理解大腦的工作原理和認知過程，為人工智能發展提供新的思路和方法，讓機器更好地模擬人類的空間認知和行為決策，從而提升機器的學習能力和智能水平。”王成說道。

　　王成表示，此次研究團隊只在神經細胞的亞細胞層次結構組織進行了功能機制的解析，對于神經元是如何具體運作并發揮功能，其在整個神經網絡體系中發揮怎樣的作用等，仍需要進一步探究。未來，構建更大的神經網絡模型，將是研究團隊的重要研究方向。