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基本信息

Title:Simultaneous path-integration recalibration in head direction and place cells

發(fā)表時(shí)間：2026.3.17

發(fā)表期刊:Current Biology

影響因子：7.5

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研究背景

想象一下半夜在漆黑的臥室里摸黑去洗手間，即便看不見(jiàn)，你也能大致根據(jù)自己走了幾步、轉(zhuǎn)了多大角度來(lái)估算目前所在的位置。這種僅依靠自身運(yùn)動(dòng)線索來(lái)更新內(nèi)部空間位置的能力被稱為“路徑積分”。在哺乳動(dòng)物的大腦中，這一過(guò)程依賴于一個(gè)負(fù)責(zé)將自身運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為認(rèn)知地圖上位移的增益因子。

以往的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外部視覺(jué)環(huán)境與內(nèi)部的自我運(yùn)動(dòng)感知出現(xiàn)持續(xù)沖突時(shí)，海馬體內(nèi)的位置細(xì)胞能夠迅速重塑這個(gè)增益因子，以糾正內(nèi)部計(jì)算的誤差并與外部世界重新對(duì)齊。然而，導(dǎo)航并非海馬體在一座孤島上的獨(dú)角戲。在這個(gè)認(rèn)知地圖中，如果說(shuō)位置細(xì)胞提供了“坐標(biāo)”，那么分布在丘腦等區(qū)域的頭向細(xì)胞則起到了“指南針”的作用，負(fù)責(zé)錨定認(rèn)知地圖的整體朝向。這就引出了一個(gè)該領(lǐng)域懸而未決的核心問(wèn)題：當(dāng)位置系統(tǒng)發(fā)生重塑時(shí)，頭向系統(tǒng)的路徑積分計(jì)算是否也會(huì)同步改變？?jī)山M高度互聯(lián)的細(xì)胞在面臨感覺(jué)沖突時(shí)，究竟是各自為戰(zhàn)，還是緊密協(xié)同？

為了解開(kāi)這個(gè)迷局，近期發(fā)表在 Current Biology 上的一項(xiàng)研究利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，首次在感覺(jué)沖突下同步記錄了這兩個(gè)關(guān)鍵導(dǎo)航群體的活動(dòng)變化。

研究核心總結(jié)

一、前行中的緊密耦合與同步重塑

研究表明，在持續(xù)的視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)線索沖突下，位置細(xì)胞與頭向細(xì)胞展現(xiàn)出了驚人的同步性。當(dāng)研究人員在虛擬現(xiàn)實(shí)中改變視覺(jué)地標(biāo)的移動(dòng)速度，營(yíng)造出視覺(jué)位移與真實(shí)自身運(yùn)動(dòng)不匹配的錯(cuò)覺(jué)時(shí)，海馬區(qū)位置細(xì)胞和丘腦頭向細(xì)胞雖然脫離了真實(shí)的物理坐標(biāo)系，但彼此之間依然保持著極強(qiáng)的內(nèi)部鎖定。更重要的是，當(dāng)視覺(jué)地標(biāo)突然消失、動(dòng)物只能完全依靠?jī)?nèi)部的路徑積分系統(tǒng)時(shí)，這兩個(gè)群體表現(xiàn)出了功能上完全一致的路徑積分增益重塑。這說(shuō)明大腦在修正導(dǎo)航誤差時(shí)，并非在單一腦區(qū)進(jìn)行局部微調(diào)，而是在整個(gè)導(dǎo)航回路中實(shí)現(xiàn)了高度協(xié)調(diào)的參數(shù)更新。

Figure 1. Experiment apparatus, visual cue gain manipulation protocol, and measurement of hippocampal gain

二、停滯掃視時(shí)的“固執(zhí)”頭向細(xì)胞

然而，這種神經(jīng)重塑并非無(wú)條件發(fā)生。結(jié)果顯示，當(dāng)大鼠停止向前奔跑，僅僅是停留在原地左右轉(zhuǎn)頭掃視時(shí)，頭向細(xì)胞的角速度路徑積分增益并沒(méi)有表現(xiàn)出任何重塑的跡象，而是維持在近似基線的水平。這一有趣的反差揭示了重塑機(jī)制的條件特異性。它暗示頭向細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)期間表現(xiàn)出的重塑，并非源于其上游角頭速信號(hào)輸入的永久性改變，而是很大程度上依賴于動(dòng)物所處的行為狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)與否），或者是直接受到了來(lái)自海馬體位置細(xì)胞系統(tǒng)自上而下的反饋驅(qū)動(dòng)。

Figure 2. CA1 place cells and HD cells exhibited tightly coordinated gains under landmark manipulations in VR

三、漸進(jìn)偏移中的內(nèi)在博弈與網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)性

在長(zhǎng)期的視覺(jué)沖突期間，兩類細(xì)胞的放電野相對(duì)視覺(jué)地標(biāo)都出現(xiàn)了緩慢且?guī)в蟹较蚱械臐u進(jìn)性偏移。這反映了大腦內(nèi)部的自身運(yùn)動(dòng)線索與外部視覺(jué)輸入之間正在進(jìn)行持續(xù)的“拔河比賽”。值得注意的是，頭向細(xì)胞群在偏移過(guò)程中步調(diào)高度一致，而CA1區(qū)的位置細(xì)胞則表現(xiàn)出了極大的方差和異質(zhì)性。這種差異生動(dòng)地表明，CA1區(qū)內(nèi)的不同細(xì)胞對(duì)自我運(yùn)動(dòng)和外部線索的權(quán)重分配存在顯著差異，不像頭向細(xì)胞那樣嚴(yán)格受制于高度一致的環(huán)形吸引子網(wǎng)絡(luò)約束。

Figure 3. Tightly coupled recalibration of HD and CA1 path-integration gains

研究意義

總而言之，該研究揭示了大腦導(dǎo)航系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)感覺(jué)沖突時(shí)既靈活又穩(wěn)健的協(xié)調(diào)機(jī)制。它證明了大腦能夠在經(jīng)歷路徑積分增益重塑這一劇烈可塑性變化的同時(shí)，依然維持一個(gè)自洽且嚴(yán)密的內(nèi)部空間表征。

Figure 4. No path-integration gain recalibration in the HD system during head scans

Figure 5. Slow, biased shift of CA1 place cells and HD cells relative to landmarks during landmark control

Figure 6. Simplified schematic of feedforward vs. feedback models of path-integration gain recalibration

Abstract

Accurate spatial navigation relies on path integration, a process of tracking one’s location by integrating self-motion cues. Path integration uses a gain factor relating self-motion signals to displacement on the cognitive map. This gain is plastic, recalibrating rapidly to match perceived displacements relative to external cues. To elucidate the mechanism of recalibration, we simultaneously recorded from place cells, which instantiate the cognitive map, and head direction (HD) cells, thought to orient the map. Persistent conflict between self-motion and visual feedback induced functionally identical recalibration of path-integration gain in the two neural populations during forward locomotion; however, during locomotor immobility accompanied by head scanning, HD cells did not exhibit recalibration. Moreover, the two populations manifested differential field-shifting dynamics relative to landmarks during recalibration. These results uncover a tightly coordinated yet behavior-dependent recalibration process across the navigation circuit that achieves robust yet flexible coupling of the internal sense of position and direction.

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審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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