极化环境中网格细胞对称性畸变与距离估计误差的关联机制研究

为解决环境几何形状如何影响空间导航精度的问题，研究人员开展网格细胞（Grid cells）在极化环境（如梯形）中的对称性畸变与距离估计误差关联的主题研究，发现大鼠和人类在梯形环境中距离估计显著受损，网格细胞规则性降低且畸变程度与行为误差相关，经验可诱导持续性网格信号失真，这一结果揭示了网格细胞作为路径整合（path integration）核心机制的可塑性特征，为空间认知疾病提供了新见解。

　　

空间导航能力是动物和人类生存的基础，而大脑中内嗅皮层（medial entorhinal cortex, MEC）的网格细胞（grid cells）因其规则六边形放电模式被视为空间认知的“度量尺”，可能支持认知地图（cognitive map）构建与路径整合（path integration）。然而，真实环境中复杂几何结构如何影响网格细胞功能及行为输出尚不明确。以往研究表明，网格细胞在极化环境（如梯形）中会出现放电模式畸变，但这类畸变是否直接导致导航行为误差，以及经验是否调控这一过程，仍有待系统阐释。针对这一问题，Duncan等人在《Current Biology》发表了题为“Grid cell distortion is associated with increased distance estimation error in polarized environments”的研究论文，通过跨物种行为实验与电生理记录，揭示了环境几何形状通过干扰网格细胞对称性进而损害距离估计精度的神经机制。

研究主要采用了大鼠行为训练与在体电生理记录、人类行为实验以及神经信号分析等技术方法。大鼠在可转换为矩形或梯形的装置中进行距离估计任务，通过视频轨迹分析行为误差；植入微驱动电极记录MEC区域神经元活动，使用聚类切割和空间自相关分析鉴定网格细胞，计算网格度（gridness）、空间信息得分（spatial information）及峰放电距离分布（Euclidean interspike distance）；人类实验则在按比例放大后的相同几何环境中进行步行距离复现任务，并结合主观信心评分评估。

距离估计在大鼠和人类的极化环境中受损

研究人员训练大鼠在矩形环境中学习从起点跑至固定距离（如130.5厘米）后折返获取奖励，随后将环境改为梯形（一端窄一端宽）。结果发现，大鼠在梯形 trials 中普遍过高估计自身行进距离，提前停止（平均停止点短于目标），误差显著大于矩形 trials（p<0.001）。移除远侧线索（如用幕布遮挡）后误差进一步加剧，表明环境几何本身即足以干扰路径整合。人类被试在按比例扩大的装置中表现出类似行为模式：在梯形 block 中步行距离显著短于矩形 block（p<0.01），且自述信心下降（p<0.001），步数、用时无差异，但速度在初始矩形 block 较高。

网格细胞规则性在梯形环境中被破坏

在5只植入电极的大鼠中，记录到MEC的444个神经元，其中85个经shuffling检验确认为网格细胞。开放场探索阶段，梯形环境中网格细胞的网格度评分（gridness score）显著低于矩形（p<0.001），放电场数量减少（p<0.001），但空间信息得分无变化。示例细胞显示，梯形窄端网格对称性尤其紊乱。为排除环境面积减小的影响，作者对矩形 rate maps 施加梯形掩模（mask）重新分析，发现掩模后网格度和场数虽低于原始矩形，但仍显著高于真实梯形环境（p<0.001），表明几何极化而非单纯面积变化主导了网格畸变。

网格细胞畸变程度与距离估计误差相关

为在单 trial 中量化网格规则性，作者提出基于峰放电间隔距离分布（interspike distance distribution）的畸变指标：在规则网格中，峰间距呈现周期性峰值，对应网格尺度；梯形环境中峰间距缩减（p<0.001）。将 trial 中的分布与开放场 session 的分布比较，计算中位数差异作为“网格畸变”（grid distortion）值。结果显示，梯形 trials 的畸变值显著高于矩形 trials（p<0.001），且该值与距离估计误差在全 trials 中呈正相关（r=0.14, p=0.006），但 within-condition 相关不显著，可能因条件内畸变范围较窄或行为噪声掩盖。

经验依赖性网格信号失真

大鼠在经历梯形开放场探索后，再次返回矩形环境时，网格细胞规则性并未完全恢复：第二矩形 session 的网格度显著低于第一矩形（p<0.001），且与梯形无差异（p=0.435）。人类实验中，梯形 block 后的首半段矩形 trials 仍出现距离估计误差（p<0.01），后半段恢复，表明持续暴露于极化环境可短暂扭曲后续空间表征。大鼠短期 trial 间切换无行为累积效应，但梯形 block 内误差随经验加剧（p=0.0012），提示畸变具有经验依赖性与可塑性。

该研究结论表明，网格细胞规则放电模式为距离估计提供关键度量信号，环境几何极化（如梯形）会破坏其对称性，导致路径整合误差；这种畸变具有跨物种保守性（大鼠与人类），且受先前经验调节，部分持续影响后续环境中的网格表征。讨论部分指出，网格细胞可能并非提供“通用空间度量”，而是高度可塑性、受环境线索与历史经验整合调控的动态系统。研究结果深化了对网格细胞功能与行为关联的理解，为空间认知障碍（如阿尔茨海默病中内嗅皮层早期退化）的机制研究提供了新视角。