引言

空间导航对我们的日常生活与生存发展至关重要。海马中的位置细胞和内嗅皮层中的网格细胞构建了外部环境的认知地图，即所谓的“大脑 GPS”，这一发现获得了2014 年诺贝尔生理学或医学奖。但越来越多的研究显示，大脑中除经典的海马体以外的区域也参与了空间记忆与导航。内侧前额叶皮层 (medial prefrontal cortex，mPFC) 在大脑中主要负责编码高级认知功能和情感行为，与计划、决策、注意力、目标导向和社交等密切相关。尽管早期的研究表明，内侧前额叶皮层可能参与编码空间认知与记忆，但其与空间导航相关的空间细胞一直未被发现。

2024年6月10日，陆军军医大学第二附属新桥医院神经外科张生家教授实验室的龙晓阳博士等通过直投方式 (Direct Submission)，在PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of American，美国科学院报) 杂志上，在线发表了题为 Border cells without theta rhythmicity in the medial prefrontal cortex研究论文。该论文报道了在内侧前额叶皮层中存在一类编码环境边界的特异性神经元，也被称为边界细胞 (border cell)。更为特别的是，与经典的海马体中单边放电的边界细胞相比，内侧前额叶皮层边界细胞选择性沿着环境的四个边界放电，同时缺乏θ波节律性。该团队近年来独辟蹊径致力于寻找海马体之外的空间定位系统，这是继2021年与2022年在躯体感觉皮层中发现一套全新且完整的空间导航系统 (Cell Research 2021; Advanced Science 2022) 之后，在经典海马体之外的脑区探索全新的空间导航系统领域中的又一重要突破性研究。

首先，研究者将多通道微电极植入大鼠的内侧前额叶皮层中，采集清醒动物在自由运动状态下腹背侧单个神经元的电活动信号。发现当大鼠靠近环境的几何边界时，边界细胞会增加放电频率。值得注意的是，绝大多数边界细胞沿着环境的四个边界放电，这与传统的内嗅皮层边界细胞主要沿单边放电的特性形成了鲜明的对比。在此基础上，为了进一步细化内侧前额叶皮层边界细胞的特性，研究者将内侧前额叶皮层边界细胞分为编码自我中心和世界中心坐标系两类。发现内侧前额叶皮层中同时存在世界中心和自我中心调谐的边界细胞，并且左、右大脑半球之间存在明显的分布偏差，表现为：左侧响应的自我中心边界细胞主要来自右侧半脑；与之相反，右侧响应的自我中心边界细胞主要来自左侧半脑；而世界中心边界细胞则来自两侧半脑。这一对侧化分布可能为内侧前额叶皮层自我中心信号的感觉起源提供线索。接着， 通过一系列实验，研究者分别记录在黑暗、光照环境下以及修剪胡须前后的电信号来验证边界细胞对视觉或触觉刺激的依赖性，实验发现边界细胞的自我中心和世界中心调节特性均不依赖于视觉或触觉的直接输入。通过进一步引入新边界、新物体及在高架平台上进行电信号记录，发现内侧前额叶皮层边界细胞对普遍意义上的环境边界均有反应。最后，海马中的θ节律（4-12 Hz）被认为对空间导航与计算至关重要。在空间定位与记忆相关的任务中，θ振荡也是内侧前额叶皮层局部场电位和单个神经元放电等神经活动的显著特征。并且海马-前额叶神经网络中存在显著的θ节律相干性。然而研究意外地发现，在非任务状态自由觅食行为期间，内侧前额叶皮层中的边界细胞和非边界细胞都很少表现出θ节律性放电，这一结果提示在任务状态下和非任务状态下内侧前额叶皮层神经网络活动存在显著差异。

示意图（Credit: PNAS）

综上所述，本研究发现了在自由运动状态下内侧前额叶皮层中存在的一类特异性空间边界调谐神经元。考虑到内侧前额叶皮层负责决策和目标导向行为等高级认知功能，这些过程往往涉及感知空间变量。因此，该新发现支持内侧前额叶皮层参与形成与空间情景记忆相关的认知功能，也为空间调谐可能是大脑皮层计算的一个广泛特征这一假说提供了新的证据。原文链接https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2321614121

责编|探索君

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文章来源|“BioArt”

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