头部固定损害前背丘脑核头方向细胞的编码并揭示其预测性吸引子动力学

《Nature Communications》：Active locomotion predictively rescues head direction attractor dynamics in head-fixed mice

　　

摘要

位于前背丘脑核的头方向（HD）细胞构成了大脑的内部罗盘，通常被建模为一种环形吸引子，通过持续利用视觉和惯性感觉输入来维持方位编码。在本研究中，我们检验了常用的固定头部实验制备方式如何改变这种编码。造成前庭冲突的完全头部固定会破坏单个神经元和群体层面的头方向编码，而在真实或虚拟现实中选择性限制头部相对于身体的运动则特异性地损害了HD群体活动。更具体地说，在头部受限的雄性小鼠静止期间，吸引子动力学发生了改变，一种计算模型通过扰动HD神经元间的侧向连接复现了这一效应。这些动力学在运动开始前的数百毫秒内恢复，表明在头部受限期间维持HD网络活动需要一种传出副本或对反馈信号的预测。更广泛地说，研究结果表明HD网络是一种依赖于上下文和状态的预测性估计器，由即将到来的自主运动信号加以稳定。经典的环形吸引子模型应进行修订，将依赖上下文动力学与预期性运动信号整合其中，从而为大脑罗盘如何在自然环境和受限条件下均保持稳定提供更完整的解释。