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诺奖夫妇发现“速度细胞”

(远千山/译)

 走路,跳跃,奔跑……人们能以各种不同的速度运动。只是,我们的大脑是怎么区分不同速度的呢?

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用GPS导航时,系统会根据你的移动速度调整周围的地图。在动物的大脑里,是否也有发挥着“速度计”的机制?图片来源:shutterstock友情提供

要拼全“大脑GPS”,可能就差“速度计”这一块拼图

近日,挪威的研究者们发现了大鼠大脑中的一组可以作为“速度计”的神经元。它们可以记录动物运动的速度。这些“速度细胞”不断更新脑内的地图,帮助动物对周围环境进行定向。研究论文被发表在《自然》杂志上。
 

“研究者们已经知道大脑是如何处理位置、方向、距离和边界信息的了,而速度细胞则是大脑地图领域最后一块重要的拼图。”约翰霍普金斯大学的神经科学家吉姆·尼里姆(Jim Knierim)说到。他并没有参与这一项目。

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014年,约翰·奥基夫和莫泽夫妇因为发现大脑"GPS"的重要成分而获得诺贝尔奖。图片来源:nobelprize.org 编译:果壳网

在发现“速度细胞”之前,人们曾经发现了网格细胞。通过诺贝尔奖获得者约翰·奥基夫(John O’Keefe)、爱德华·莫泽(Edvard Moser)和迈-布里特·莫泽(May-Britt Moser),我们了解到网格细胞能帮助描绘动物的运动。当许多网格细胞共同协作时,它们就构建起了大脑地图的坐标系统——经度和纬度线。网格细胞的基本任务是确定大鼠的位置,但它们也会给出关于速度的信息。“然而,在这一领域里,还没有人发现特异性编码运动速度的细胞。”尼里姆评论道。

 找到“速度细胞”的,还是莫泽夫妇

为了寻找速度计神经元,爱德华·莫泽和他的同事们为大鼠设计了类似《摩登原始人》中那样的车子。这种装置没有底部,所以当车子前进时,大鼠的爪子会踩过地面。研究者会控制这辆“大鼠车”运动的速度。如果车子移动的太慢,大鼠会悠闲地走动。当速度增大时,大鼠会撒足狂奔。这辆车或者磨磨蹭蹭,或者疾驰而过,以不同速度多次穿过同一段跑道。研究者则会记录每一次旅程中大鼠的大脑嗅皮层活动。

他们发现,大脑嗅皮层中15%的神经元会特异性地对大鼠的速度做出反应。如果大鼠加速运动,这些神经元会发放得更剧烈。但如果大鼠慢下来,这些细胞的活动也会减弱。

当大鼠在宽敞的空间里自由移动时,速度细胞同样也会有反应。发放的程度取决于大鼠运动得有多快相关,而和大鼠的位置无关。

\迈-布里特·莫泽和一只受试大鼠。图片来源:Kavli Institute/NTNU

快速发放,提前准备

速度细胞似乎也具备一定的“先见之明”。爱德华·莫泽说,它们会“提前60-80毫秒就设定好速度”。换句话说,它们似乎会在大鼠加速之前就开始行动,在实际需要到来前一点点(就配合网格细胞)帮大鼠预先建立起认知地图。

在一个神经元传递一条信息后,它需要一定时间才能恢复并传递一条新信息。然而,有些神经元恢复的速度比其他更快。研究中大约四分之一的速度细胞都属于“快速发放”型,这就意味着它们需要的恢复时间更短并且而更容易发放。了解这些速度细胞的特点,将会帮助研究者们建立计算机算法来模拟我们在空间中的运动方式。

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如果将小车换成过山车,莫泽和克里姆都表示速度细胞仍会有反应,但应答会与在原实验中不同。换成过山车后,跑动的部分就不需考虑了,计算速度的部分由我们的其他感官参与。当大鼠开始运动时,这些感觉——肌肉怎样变化,风如何吹过皮毛,以及眼前的景象怎么变化——都有可能影响到速度细胞的反应。研究者猜测,人类也会有大脑地图,但对其中所涉及的神经元,我们了解得更少。

莫泽的研究团队将进一步研究不同感官是如何影响到速度细胞的。他表示,虚拟环境中的实验也许可以帮上忙。科学家们可以检测一只静止的大鼠看到它周围环境在屏幕上飞速变化时,它的速度细胞会如何反应。或者,他们也可以记录虚拟环境保持不变而大鼠奔跑时,速度细胞的发放方式。

(编辑:谢凤)

 

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