網格細胞節律性掃描重塑：大腦空間導航新理解
挪威科技大學（NTNU）卡弗裡研究所（Kavli Institute）的一項發現揭示了網格細胞此前未知的功能，網格細胞是一種特殊的神經元，有助於大腦繪製空間地圖。
2005年，梅 - 布里特和愛德華·莫澤發現了網格細胞，它爲構建周圍環境的心理地圖以及追蹤自身在這些環境中的精確位置奠定了基礎。當你在周圍環境中移動時，你的行動會被內部地圖上的網格細胞所追蹤。
但現在發現，網格細胞還會對動物前方的空間進行快速、有節奏的掃描。這些掃描幾乎就像天線一樣，使動物能夠探測前方的環境。這一發現重塑了我們對大腦空間導航的理解。
科學家們長期以來一直認爲，網格細胞就像GPS定位針一樣，隨時忠實地標記位置。
但卡弗裡研究所的研究人員發現了一個更具動態性的過程：網格細胞在追蹤動物的實時位置和以高度規律的模式掃描前方環境之間交替進行——以每秒10次的速度向右掃描30度，然後向左掃描30度。
這些有節奏的掃描創造了一種更有效的方式來確定位置間的相對關係，提供了一個比以前想象的更豐富、更具適應性的導航系統。
這項由亞伯拉罕·沃蘭、裡奇·加德納、梅 - 布里特·莫澤和愛德華·莫澤做出的突破於2025年2月3日發表在《自然》（Nature）雜誌上。
幾十年來，這些掃描一直未被發現，隱藏在網格細胞數據的微小時間片段中。
原因是什麼呢？技術限制。
過去的記錄工具缺乏能力和時間分辨率，無法實時顯示整個網格細胞羣體大規模協同活動中的快速波動。
隨着神經像素2.0（Neuropixels 2.0）的推出，這種情況發生了改變，這是一種革命性的神經技術，能夠以毫秒級精度記錄數千次神經交互活動。
加德納說：“卡弗裡研究所之前的研究已經確定了位置感的組成部分，例如涉及的細胞類型和神經迴路。我們想要弄清楚的是心理地圖是如何被實時使用的。”
他說，瞭解網絡中整體神經活動中發生的動態、過程和變化，可以展示大腦實際上是如何利用這種機制進行導航的。
爲了確切瞭解正在發生的事情，研究人員使用了一種名爲解碼的方法。一次掃描持續125毫秒，與大腦數據中的θ波相對應。
當老鼠處於清醒、快速眼動睡眠或者深度睡眠並進行導航時，新型神經像素探針能夠以毫秒級的精度記錄網絡中數千個細胞間的相互作用。
對於探針上傳的每一個時間段的大腦數據，計算機都會解碼老鼠的網格細胞所聚焦的心理地圖位置。然後，計算機將網格細胞的心理地圖位置與老鼠在實際環境中的位置相關聯。
利用新型神經像素探針，研究人員解碼了老鼠在導航過程中心理地圖是如何動態變化的。
令他們驚訝的是，他們發現這個地圖與老鼠的實際位置並不完全一致。
相反，這個地圖與老鼠的位置不同步，而且這種不同步很有規律。在毫秒級的時間尺度深處，網格細胞通過一系列編碼相鄰位置的網格細胞向外發送神經活動波。
這些掃描從對老鼠在空間中的實際位置進行編碼的網格細胞開始，強力地向右前方掃描，在掃描的最遠端逐漸消失，然後又在老鼠的位置重新出現，向另一側掃描。
這些有節奏的掃描表明，網格細胞不僅僅是簡單地確定動物的位置——它們還實時積極地探索環境，不斷更新其內部的空間表徵。
“在以前的研究數據中，這種整體的動態被合併到我們已知的較大的網格場中了，”梅 - 布里特說。
“當我們從對老鼠自身位置進行編碼的細胞活動中減去掃描數據時，網格場就變得更小、更精確了，”她說。
爲什麼網格細胞以這種特定的方式掃描環境呢？爲什麼是特定的角度、長度和交替模式呢？
答案可能就在自然本身之中。
“有些蝙蝠種類利用回聲定位來導航，它們交替向不同方向發射聲波以掃描周圍環境，”愛德華·莫澤（Edvard Moser）說。“這種模式與網格細胞的掃描模式驚人地相似。”
他用雙手展示協調的網格信號如何像聚焦的聚光燈一樣從前額射出，左右交替。
掃描的長度可以用之前的發現來解釋：我們的心理地圖是環形的。
“掃描會圍繞環形地圖延伸至半個環，絕不會超出。這樣，網格細胞就避免了與心理地圖的其他區域重疊，”沃蘭（Vollan）說。
因此，掃描所覆蓋的距離受到大腦自身關於網格細胞在大腦的全球定位系統內如何活動的環形規則的限制。
大腦中至少有三到五個不同的網格細胞模塊，對應着三到五個不同的環形心理地圖，每個模塊負責覆蓋不同尺度的空間。
在所有環形地圖上，掃描移動的距離相同。但是由於心理地圖與不同尺度的物理空間相關，構建大尺度地圖的網格細胞在物理環境中覆蓋的距離，比生成更精確小尺度地圖的網格細胞覆蓋的距離要大。
爲了找出大腦爲什麼更喜歡用這些類似窄天線的掃描來掃描周圍環境，加德納（Gardner）構建了一個人工主體（一個基於人工智能的計算機模型）。
這個小機器人測試了不同的方法來繪製它所經過區域的地圖，發現最優策略遵循一種特有的人字形模式。
它得出了與大鼠大腦中的掃描完全相同的規則：以30度角向右、向左、再向右。事實證明，這種策略在儘可能短的時間內以最小的重疊繪製一個區域的地圖是最有效的。
“如果我們觀察蝙蝠的回聲定位、觸角、觸鬚，或者我們位於頭顱兩側的眼睛，我們就會認識到一個原理，即這兩個交替的用於對空間進行採樣或探測的角度反覆出現，”加德納說。
計算機模型得出了完全相同的最優繪製地圖的原理。
他說：“進化會以利用這一原理的方式來定位我們的感覺器官和心智能力，這種想法是合理的。”
研究人員發現，老鼠在活動時以及處於快速眼動（REM）睡眠（此時老鼠未接收外界的感覺輸入）時都會有掃視現象。
愛德華·莫澤（Edvard Moser）說：“也許它正在夢中活動呢。”在深度睡眠（大腦不產生θ波的狀態）時，掃視現象較少見且更不規則。
梅 - 布里特·莫澤（May - Britt Moser）說：“掃視還會探測懸崖、穿牆而過呢，所以很明顯，這種信號主要不是關於老鼠打算去哪兒的。”
加德納（Gardner）說：“掃視中的向量原理表明，掃視可能是構建更穩固地圖的一種方式。精確掃描包含關於方向和到各處距離的非常系統的信息，這可能是大腦不光聚焦單個位置，還將這些位置與其周圍環境相聯繫並固定的一種方式。”
愛德華·莫澤說，研究結果表明，掃視可能是一種被硬編碼到神經網絡中的基本機制——一種大腦算法。
沃蘭（Vollan）補充說：“我覺得我們發現的是一個在大腦心智地圖裡持續發生的重複性、刻板性過程，有助於繪製四處亂跑的老鼠的周圍環境地圖。”
他說，這種地圖對於喚起老鼠對周圍環境的記憶以及創建老鼠從未到過的環境的新地圖可能很重要。
這項研究是在老鼠身上做的，那人類體內可能存在類似的機制嗎？
鑑於我們擁有相同的大腦結構、細胞類型和有節奏的神經活動過程，研究人員認爲這是有可能的。
沃蘭說：“我相信在人身上也能發現類似掃視的現象。”
他說：“我們有相同的大腦區域、細胞類型，有像記憶、導航這樣相同的功能，而且我們也有這種節律，就是稍微弱一點。所以呢，問題就是我們會不會看到完全一樣的模式？比如說，人更多是受視覺驅動的。我們可以用目光去探索遠處的地方。”
也許人類的掃視動作與個體在空間中視線的指向關係更爲緊密。
研究人員在鳥類和猴子身上都發現了視覺位置細胞，這些細胞會根據它們的注視位置而被激活。
所以，位置細胞被激活不是取決於動物所在的位置，而是取決於動物注意力集中的位置。
沃蘭（Vollan）說：“掃視動作是細胞羣體層面的一種基本機制，能夠開始解釋這種注意力集中的現象。”
愛德華·莫澤（Edvard Moser）說：“之前，我們已經表明網格細胞在空間中有幾何形狀——六邊形座標系。它們在網絡活動中也有幾何形狀——環形。現在我們發現網格細胞在時間上也有幾何形狀。”
愛德華·莫澤說：“掃視動作改變了我們對網格細胞和導航的看法，也就是說，我們現在知道網格細胞不僅僅孤立地對當前位置進行編碼，而且還將這些位置與周圍的每個位置相關聯，精確地編碼到心理地圖中。”
許多問題仍然沒有答案，卡夫利（Kavli）的研究人員短期內不打算放棄掃視方面的研究。
梅 - 布里特·莫澤（May - Britt Moser）說：“我們已經在進行幾項研究，這些研究將爲我們急切想知道的事提供新的答案。
長達七年的艱苦研究換來了香檳慶祝和在《自然》（Nature）雜誌上發表文章。
梅 - 布里特·莫澤說：“我們的導師佩爾·安德森（Per Andersen）教導我們要一起慶祝勝利。我們把這個傳統帶到了卡夫利研究所。”
她說：“今天我們不僅慶祝出色的研究，也慶祝良好的研究合作。能與裡奇（Rich）和亞伯拉罕（Abraham）這樣優秀、慷慨且才華橫溢的年輕研究人員合作是一種榮幸。”