大脑导航回路中θ波扫动的自适应调节

《SCIENCE》：Adaptive modulation of theta sweeps in the brain’s navigation circuit

　　

编辑总结

在复杂环境中移动时，大脑需要从选定的相关位置中筛选并优先处理接收到的信息，从而形成空间注意力图谱。Vollan等人通过在大鼠执行行为任务时进行高密度单神经元记录，研究了空间注意力背后的神经机制。在各种行为中都存在被称为“θ波扫描”的内嗅-海马体神经元活动序列，这些序列会始终与行为相关的位置相对应。在行为进行过程中，这些扫描序列会快速变化，这表明它们类似注意力事件，对于在导航过程中形成重要位置的空间图谱至关重要。——Mattia Maroso

结构化摘要

引言

高效的导航需要动物能够优先处理空间中与行为相关的位置。在啮齿类动物中，内嗅-海马体回路中的神经元活动由θ节律组织成快速的、时间压缩的序列（即扫描序列），这些序列能暂时呈现动物当前位置之外的区域。在自由探索过程中，这些扫描序列会以固定的左右模式围绕头部方向轴交替出现，从而有效采样前方和两侧的空间。目前尚不清楚这种内部生成的空间采样机制是否能够灵活地转向与行为相关的位置。

研究动机

许多自然行为——包括追逐、避障以及朝向记忆中的目标导航——都需要快速确定特定位置的重要性，而非对环境进行均匀采样。因此，我们研究了内嗅-海马体系统中由θ节律组织的活动是否能够动态地指向与当前行为或即将进行的动作相关的位置。为了解答这个问题，我们在大鼠执行各种具有不同感官、运动和认知要求的行为任务时，对其内嗅-海马体回路以及上游与头部方向相关的区域进行了大规模的Neuropixels记录。

研究结果

空间扫描序列并非固定不变，而是会根据实际情况实时重新配置，以优先处理重要位置。在追逐快速移动的目标时，扫描序列之间的角度差距会缩小，θ频率也会上升，从而使动物能够更密集地采样目标所在区域。当目标轨迹突然改变时，扫描序列会在动物明显转向之前就迅速调整方向，指向新的目标位置，这表明大脑能够在认知图谱中内部追踪目标。即便没有外部奖励信号，也观察到了类似的灵活性。在向后移动时，即使没有外部引导信号，扫描序列也会反向排列，与移动方向保持一致。在快速眼动睡眠期间，尽管没有感官输入或明显的行为表现，但θ频率升高时，空间采样范围也会缩小。总体而言，这些调整发生得非常迅速，且不依赖于对稳定目标位置的预先学习，这说明空间表征会持续地、根据情境进行调节。

结论

这些研究结果表明，θ波扫描序列是一种用于动态采样认知图谱的灵活机制。它并非被动反映动物的位置或通往已学目标的路径，而是会在亚秒级时间内不断调整，以呈现与当前行为相关的位置。这种灵活性表明，θ波扫描序列既可用于选择性处理空间信息，也可用于规划潜在的未来行动路径。通过将内部产生的动态变化与即时的行为需求相结合，θ波扫描序列或许能为在导航过程中协调感知、行动和记忆提供一种通用机制。

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θ波扫描序列的亚秒级调节。

在不同任务中，记录了来自内部方向细胞、网格细胞和位置细胞的神经元活动，显示在θ节律周期内的变化情况（上图）。（中间）解码后的扫描序列及对应的内部方向信号在θ节律周期内的变化。（右图）扫描序列的示意图。在觅食时，扫描序列的交替范围很广；在追逐目标时，交替范围缩小，扫描序列会跟随目标（黄色标记）移动；在向后移动时，扫描序列会反向，与移动方向保持一致。[插图改编自scidraw.io，Gil Costa]

摘要

高效的导航需要优先处理来自与行为相关的位置的信息。在大鼠中，这种选择性采样可能是由网格细胞和位置细胞群体中的θ节律驱动的扫描序列实现的，这些序列会在副穹窿方向信号的协调下，以左右交替的模式扫描周围空间。这种交替模式有助于在探索过程中实现均匀的空间覆盖，但目前尚不清楚这些扫描序列是否能够灵活地适应即时的需求。通过在自由活动的大鼠身上进行大规模的Neuropixels记录，我们发现扫描序列和方向信号会快速且动态地发生变化：在追逐目标时，它们会跟随移动的目标；在静止时，它们会在动物开始转向之前出现；在向后移动时，它们会反向。而这一切都不需要动物事先学习目标位置的信息。在快速眼动睡眠期间也会出现类似的调节现象。综上所述，这些研究结果表明，扫描序列是一种灵活的、类似注意力的机制，可用于有选择地采样以自我为中心的认知图谱。