太陽的東升西落，城市的大腦東西南北，過馬路要左右看……在人們的賦予日常生活中，大腦的高級感知空間感知作用扮演著重要角色。無論是空間科學(xué)尋找方向、定位目標(biāo)還是新聞記憶場景，都需要大腦對空間信息的GPS處理和記憶。然而，大腦這個過程是賦予如何在大腦中發(fā)生的？

北京時間12月14日晚，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所研究員王成團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院助理教授陳小菁團(tuán)隊(duì)的高級感知最新研究成果發(fā)表于《神經(jīng)元》。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，空間科學(xué)在大腦有著“GPS”導(dǎo)航功能的新聞自我中心神經(jīng)元（Self-Centered or egocentric neuron），它們不僅在神經(jīng)元的GPS突觸層次的信息傳遞過程中呈現(xiàn)功能聚類，還能夠在不同的大腦場景中募集獨(dú)立的神經(jīng)元群體，在大腦處理高級空間信息的賦予過程中發(fā)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(gòu)建抽象的空間感知有重要啟發(fā)，有望為人工智能領(lǐng)域類腦智能算法的設(shè)計(jì)和研究帶來新思路。

“這是一個技術(shù)上非常優(yōu)秀的項(xiàng)目，它產(chǎn)生了關(guān)于大腦皮層的寶貴數(shù)據(jù)，由于其在空間認(rèn)知和記憶中的重要性，該腦區(qū)目前引起了相當(dāng)大的興趣。是一項(xiàng)非常重要的科學(xué)貢獻(xiàn)。”審稿人對該研究評價道。

深圳先進(jìn)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(jìn)院腦所研究員王成、南科大生命科學(xué)學(xué)院助理教授陳小菁為論文共同通訊作者。深圳先進(jìn)院為該成果第一單位。

大腦中的“GPS”神經(jīng)元

大腦如何識別“前后左右”和“東西南北”的位置？

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

“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(jī)制。”論文共同通訊作者王成解釋道，當(dāng)人的眼睛在接收到物體信息之后，大腦會對其進(jìn)行編碼，辨別方向并找到目標(biāo)，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(huán)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(biāo)系。“世界中心的編碼方式是建立在自我中心編碼的計(jì)算和轉(zhuǎn)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(jīng)過更為復(fù)雜的編碼過程。”王成解釋道。

近年來，科學(xué)家們對自我中心編碼機(jī)制進(jìn)行了一些探索，但對于大腦中自我中心編碼機(jī)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(jīng)機(jī)制研究，他們在前期工作中發(fā)現(xiàn)，海馬體的主要輸入腦區(qū)——外側(cè)內(nèi)嗅皮層和內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層，分別采用自我中心和世界中心編碼空間信息，相關(guān)成果在2018年發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

為進(jìn)一步探索多場景多物體的自我中心編碼機(jī)制，2019年，王成在完成美國約翰霍普金斯大學(xué)的博士后工作之后，回國來到深圳先進(jìn)院，組建團(tuán)隊(duì)開展空間感知領(lǐng)域研究。

“空間感知研究中，跨學(xué)科交叉很重要。如今國內(nèi)在神經(jīng)科學(xué)的交流很活躍，越來越注重多學(xué)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(tuán)隊(duì)供圖

高級空間感知的“指揮官”

在該研究中，王成與研究團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)手段開始創(chuàng)新。他們首先開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)行為范式，運(yùn)用在體單/雙光子顯微鏡技術(shù)，記錄和研究了在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中，小鼠的自我中心神經(jīng)元在曠場自由覓食、虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航任務(wù)中的功能關(guān)系。

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

進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)比較了小鼠在兩個任務(wù)中不同物體的自我中心編碼機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在截然不同的空間導(dǎo)航任務(wù)中，相互獨(dú)立群體的自我中心神經(jīng)元會分別編碼不同場景中的物體。

“也就是說，自我中心神經(jīng)元在不同場景不同物體的這種高級空間感知上發(fā)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(xì)胞和世界中心神經(jīng)元共同構(gòu)成大腦空間感知的“指揮官”。當(dāng)人們要往東邊走時，世界中心神經(jīng)元就會幫助人們辨別“東”的位置，并導(dǎo)航到目標(biāo)位置的指揮官；另一方面，如果人們要向左走，自我中心細(xì)胞它們會辨別“左”的位置并完成導(dǎo)航任務(wù)。

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

在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次解析了自我中心神經(jīng)元在亞細(xì)胞層次的組織結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)其在不同場景下，自我中心神經(jīng)元在結(jié)構(gòu)功能上的變化，對人工智能領(lǐng)域類腦智能算法的設(shè)計(jì)和研究具有重要的借鑒意義。

“大腦如何通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)空間認(rèn)知，這種認(rèn)知過程又與人類的導(dǎo)航、方向感知等行為有何關(guān)聯(lián)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(rèn)知過程，為人工智能發(fā)展提供新的思路和方法，讓機(jī)器更好地模擬人類的空間認(rèn)知和行為決策，從而提升機(jī)器的學(xué)習(xí)能力和智能水平。”王成說道。

王成表示，此次研究團(tuán)隊(duì)只在神經(jīng)細(xì)胞的亞細(xì)胞層次結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行了功能機(jī)制的解析，對于神經(jīng)元是如何具體運(yùn)作并發(fā)揮功能，其在整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系中發(fā)揮怎樣的作用等，仍需要進(jìn)一步探究。未來，構(gòu)建更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將是研究團(tuán)隊(duì)的重要研究方向。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.11.018