大脑的掠夺者地图

大鼠和蝙蝠海马体中的神经元对其同伴动物的运动做出反应

埃及果蝠和其他哺乳动物大脑中的“社交位置细胞”编码其同伴动物的位置。

约西·约韦尔

哈利·波特中,这位年轻的巫师得到了一张羊皮纸,称为掠夺者地图,上面详细绘制了霍格沃茨魔法学校的布局。这张神奇的地图用逐渐消失的墨水脚印显示了人们(和幽灵)在学校中的移动轨迹。在哺乳动物大脑中形似小马蹄形区域的海马体中,也存在一种掠夺者地图,它可以追踪其他个体的运动。

上周发表在《科学》杂志上的两项新研究表明,海马体不仅负责计算动物自身在空间中的位置(这是之前已知的),还负责计算其他动物的位置。这一发现解释了为什么足球比赛并非总是以一群人堆在球场中央而告终——球员们非常擅长不互相碰撞。

1971年,伦敦大学学院(U.C.L.)的神经科学家约翰·奥基夫和他的学生乔纳森·多斯特罗夫斯基发现了“位置细胞”——海马体中的神经元,当动物到达空间中的特定地点时,这些神经元会放电。这一发现为奥基夫赢得了2014年诺贝尔奖。但直到最近,研究才开始关注大脑如何绘制动物自身位置的地图。


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魏茨曼科学研究所的神经生物学家、其中一项研究的资深作者纳胡姆·乌拉诺夫斯基说,能够绘制出其他人在空间中的位置,“对于任何类型的社交互动[例如]求爱、协同狩猎[和]监测捕食者或猎物的位置都非常重要。” “在这里,我们一下子在两种不同的哺乳动物物种中进行了两项研究,首次展示了[大脑是如何做到这一点的]。”

社交蝙蝠

乌拉诺夫斯基和他的团队训练了四对埃及果蝠在小房间里的一组凸起的球之间来回飞行。每对蝙蝠都从“起点”球上开始。头蝠被训练成飞过房间到达任一球并返回,而另一只雄性蝙蝠则被训练成静止不动并观察。很快,观察者蝙蝠意识到,如果它沿着另一只蝙蝠相同的路径飞行,它将获得一些美味的香蕉糊。研究人员使用植入的微小电极,记录了观察者蝙蝠在静止不动观看头蝠以及追踪房间内类似路径时海马体中神经元的活动。* 他们发现,在他们记录的378个神经元中,有18%的神经元在蝙蝠观看头蝠时放电。他们将这些神经元命名为“社交位置细胞”。其中一些神经元仅对感知头蝠的位置做出反应而放电,而另一些神经元在观察者蝙蝠自身移动时也会放电,这意味着它们也充当典型的位置细胞。

长期以来,人们都知道海马体参与导航和记忆——并且它是最早受到阿尔茨海默病影响的区域之一。但最近的研究表明,海马体也可能在社交互动中发挥作用。

乌拉诺夫斯基想测试这些神经元是否专门对社交线索做出反应。他的团队进行了相同的实验,只是他们用大小相似的塑料足球或立方体代替了头蝠。他们手动将物体从起点位置移动到房间对面的两个球,并再次训练蝙蝠模仿轨迹。他们发现,当观察者蝙蝠观看两个移动的物体时,其神经元的放电时间与观看头蝠时不同。

挪威科技大学的神经科学家爱德华·莫泽说:“我认为这是一个令人兴奋的发现,绝对是,因为它将海马体的焦点稍微从仅仅代表自身位置转移开来。”莫泽和他的时任妻子梅-布里特·莫泽发现了另一种称为网格细胞的导航神经元,他们因此与奥基夫分享了诺贝尔奖。但是,爱德华·莫泽补充说,社交位置细胞可能不一定局限于在“社交”情境中放电的作用。“我认为社交认知只是海马体中可以代表的众多事物的一个例子。”

匆忙奔跑的大鼠

在日本理化学研究所脑科学研究所,神经科学家藤泽茂义在数千英里之外独立进行了一项类似的实验,对象是另一种社交生物。“人们认为位置细胞就像大脑中的地图,但如果这实际上是一张地图,它应该不仅用于[自身位置],还应该用于绘制其他信息,”藤泽说——例如,追踪其他动物并进行更好的社交互动。

他的团队也让一只口渴的大鼠观察一只示范大鼠导航T形迷宫。在两个独立的实验中,他们训练观察者走到示范者的同侧或相反侧,以便获得水奖励。但是,为了知道奖励在哪里,观察者必须注意示范大鼠去了哪里。当观察者观看另一只大鼠在迷宫中移动时,研究人员通过植入的电极测量了其海马体中的大脑活动。

位置细胞也可以根据动物打算去哪里而放电。但他们的实验有助于区分这些神经元与那些响应观察另一只大鼠运动而放电的神经元。如果观察者大鼠被训练成知道水会在示范者的另一侧等待它,那么当观察者观看示范者向另一方向奔跑时,其目标导向的神经元就不会放电。

研究人员发现,他们研究的1000多个位置细胞中,有85%的细胞也对另一只大鼠的位置做出反应。藤泽和他的团队提出,海马体以不同的方式绘制空间地图,这些方式编码了动物自身的位置、其他动物的位置或两者兼而有之。“只要动物关心[关于]其他动物或物体,我认为就存在一种表征,”藤泽说。他不一定认为这必须是对社交情境的反应。

伦敦大学学院的神经科学家凯特·杰弗里没有参与这两项研究,她发现结果很有趣。她希望后续的实验能够解析这些神经元对“社交”线索或其他完全不同的事物做出反应的细微差别。“它可能只是将动物的注意力引导到空间中的那个点,”她建议。“我们不知道的是,是这只大鼠关心那只大鼠在哪里,还是它只是关心那个地方?”

还有其他未知数,例如如果将大鼠和蝙蝠放在同一个房间里会发生什么。每个物种会足够关心对方以至于引起大脑火花吗?这种行为是鼠类和蝙蝠独有的,还是可以推广到所有哺乳动物?莫泽说:“至少对我来说,如果它同时存在于大鼠和蝙蝠中,那么它很可能存在于大多数或许多哺乳动物中。”

*编者注(1/18/18):此句子在发布后进行了更新,以纠正一个错误。研究人员记录的蝙蝠大脑区域是海马体,而不是下丘脑。

 

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