揭秘：哺乳動物大腦的空間編碼

　　大腦經常被比作一臺電腦，它的硬件由組裝在復雜回路中的神經元組成；它的軟件是管理神經元行為的大量編碼。但有時，即使大腦的硬件似乎不足以完成任務，它也會表現得異常出色。例如，盡管大腦的空間感知回路似乎適合代表更小的區域，但是人類和其他哺乳動物如何設法在大規模環境中導航的，這一直是個謎。

　　在一項新的研究中，來自以色列魏茲曼科學研究所的研究人員通過跳出實驗框框思考，解決了這個難題。通過將一種不尋常的研究模型---果蝠（fruit bat）---與一個不尋常的環境---200米長的蝙蝠隧道---相結合，他們成功地揭示了一種新的感知空間的神經編碼。相關研究結果發表在2021年5月28日的Science期刊上，論文標題為“Multiscale

representation of very large environments in the hippocampus of flying bats”。

　　蝙蝠和其他哺乳動物在自然界非常大的環境中導航。在一個晚上，一只蝙蝠可以覆蓋一個長約20公里、寬2公里、高半公里的區域。這與構成傳統實驗設置的一平方米的箱子非常不同。這些作者明白，為了獲得更接近自然的空間感知，他們必須設置更大的空間---他們假設，規模上的差異應該轉化為神經元活動的差異。

　　為了驗證這一假設，這些作者在魏茲曼科學研究所建造200米長的蝙蝠隧道--一個細長的、不透明的溫室，這是世界上第一個建造這樣的地方。

　　這些作者表示，盡管他們的隧道不是確切的20公里長，但200米仍然大大超過了許多科學家們迄今為止所能研究的范圍。此外，他們開發出一種微型神經記錄器裝置（miniature neural logger device），該裝置安裝在蝙蝠的頭上，用于記錄它們海馬體中神經元的飛行活動，其中海馬體是負責記憶存儲的大腦區域，包括空間記憶。這些作者還安裝了一系列天線，提供比GPS更精確的定位能力，而GPS是追蹤在隧道內飛行的蝙蝠所必需的。基于此，他們如今能夠在一種更好地模擬其自然行為的環境中研究他們的飛翔對象。

　　這項新研究的發表具有象征意義。在50年前，John O'Keefe發現了位置細胞（place cell），這一發現在2014年為他贏得了諾貝爾生理學或醫學獎。位置細胞是海馬體中的特殊神經元，當實驗動物進入所在環境中的一個稱為位置野（place field）的特定空間時，每個位置細胞都被發現激活。許多位置細胞的聯合激活建立了一個環境的內部地圖，使導航成為可能。然而，在此之前，O'Keefe和其他人的研究工作是在小環境（比如一米見方的箱子）中開展的，因此動物海馬體中的位置細胞可以容納所需數量的位置野，每個位置野對應的區域直徑約為10厘米。如果動物海馬體中的每個位置細胞確實代表了環境中的一個單一的小空間，那么蝙蝠就需要大約1013-1015個神經元來對其多公里的飛行路線進行正確的計算，但它們的海馬體只有大約105個神經元，但它們仍然能夠導航。

　　較大環境下的多尺度海馬體空間編碼，圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.abg4020。

　　綜上所述，這些作者對在較長隧道（200米）中飛行的野生果蝠的海馬體背側CA1神經元進行無線記錄。位置野的大小從0.6米到32米不等。單個位置細胞表現出多個位置野和多尺度表示。同一神經元的不同位置野大小可相差達20倍。這種多尺度編碼從接觸環境的第一天起就被觀察到了，在實驗室出生的從未經歷過較大環境的蝙蝠也是如此。理論解碼分析表明，多尺度編碼允許以比其他編碼高得多的精度表示非常大的環境。因此，通過增加空間尺度，他們發現了一種與經典的位置編碼（place code）完全不同的神經代碼（neural code）。