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)院深圳先進技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所研究員王成團隊和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院助理教授陳小菁團隊的高級感知最新研究成果發(fā)表于《神經(jīng)元》。

研究團隊發(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)計和研究帶來新思路。

“這是一個技術(shù)上非常優(yōu)秀的項目，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。是一項非常重要的科學(xué)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(xué)學(xué)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(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(jīng)機制研究，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(xué)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(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(chuàng)新。他們首先開發(fā)了虛擬現(xiàn)實行為范式，運用在體單/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。

進一步地，研究團隊比較了小鼠在兩個任務(wù)中不同物體的自我中心編碼機制，發(fā)現(xiàn)在截然不同的空間導(dǎo)航任務(wù)中，相互獨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，研究團隊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，讓機器更好地模擬人類的空間認(rèn)知和行為決策，從而提升機器的學(xué)習(xí)能力和智能水平。”王成說道。

王成表示，此次研究團隊只在神經(jīng)細(xì)胞的亞細(xì)胞層次結(jié)構(gòu)組織進行了功能機制的解析，對于神經(jīng)元是如何具體運作并發(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，將是研究團隊的重要研究方向。

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