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我的同伴在哪里?看动物如何定位他人

撰文 | 梁希同
责编 | 陈晓雪
 
2014年,诺贝尔生理学或医学奖授予约翰·奥基夫(John O'Keefe)以及梅-布里特·莫泽(May-Britt Moser)和爱德华·莫泽(Edvard I.Moser)夫妇,以奖励他们发现大脑中的导航定位系统。这一系统的重要内容包括位置细胞和网格细胞,其中约翰·奥基夫在1971年发现了大鼠海马脑区中的位置细胞[1],这些细胞告诉动物此时此刻自己所在的位置,而2005年莫泽夫妇发现了网格细胞,它们为位置细胞提供感知动物所在位置的空间信息[2]。
 
最近,科学家们分别在蝙蝠[3]和大鼠[4]的海马脑区发现了另一种位置细胞,可以帮助它们在观察同伴四下走(飞)动时,编码同伴所在的位置。这种细胞的功能可能对动物社会行为,特别是模仿和观察性学习,以及对动物群的群体性导航至关重要。相关的两项研究本周五在《科学》(Science)发表。
“如果这些发现是真的,它们将会深刻地改变我们对海马中空间表征是如何被计算的理解……因为,现有关于位置细胞的理论将很难解释为何海马中的细胞能够编码其他动物的位置。”美国贝勒医学院研究海马体导航与记忆的专家纪道云教授评价道,“可以预料,它将会引起新的一波发现的浪潮来修正现有关于位置细胞的理论,就像十年前当莫泽夫妇发现网格细胞。”
 
我在哪里?
 
一只大鼠在一个大盒子里自由活动。与此同时,约翰·奥基夫记录下了这只大鼠海马区神经元的活动,并发现有一些神经元只有当大鼠走到房间的特定角落才会激活。他将这种细胞命名为位置细胞。
 
图中的灰线为大鼠在实验过程中走过的轨迹,黑点表示当某一个位置细胞激活时,大鼠所在的位置。可以看出,这个细胞只在大鼠走到左下角区域时才激活。
 
这一位置细胞的神经激活水平和大鼠所在空间位置的关系可以用下图表示:
►图片来自[5]
 
左下角的深红色区域表示,当大鼠走到左下角的区域时,图中的位置细胞表现出更强的神经活动。这个区域被称为该位置细胞的位置感受野(place field)。
 
如果同时记录这个脑区的很多细胞,就会发现不同的位置细胞有不同的位置感受野。也就是说,不同位置细胞的激活对应空间中的不同位置。这些不同的位置感受野合在一起就是一张完整的动物活动区域地图,可实时反映动物所在的位置。
 
 
例如,动物沿着地点A、B、C、D、E一路走来。一路上,在其脑中的海马区,标志着地点A、B、C、D、E的五种不同的位置细胞就会依次激活。基于此,动物便知其从何处而来,又将往何处去。
 
海马脑区的位置细胞,不仅仅是我们了解大脑如何导航寻路的基础,它还揭示了动物认知的一种基础架构。首先,它帮助我们理解动物的“世界观”:位置细胞所编码的认识地图是一个关于外界空间绝对位置的地图。其次,海马被认为是情景记忆(episodic memory,关于故事的记忆)的中枢,而位置细胞则成为我们了解动物的情景记忆的一个窗口:
 
如前所述,研究者训练大鼠每天沿着地点A、B、C、D、E一路走去获得食物。在大鼠走的过程中,A、B、C、D、E的位置细胞会依次激活。但当大鼠做梦时,或者准备到出门去吃饭前,A、B、C、D、E的位置细胞以比平常快十余倍的速度依次激活,暗示着他此刻心中盘算要沿着地点A、B、C、D、E一路走去获得食物。
 
►左图为老鼠走路时不同的位置细胞(标记为不同颜色)依次激活;右图为老鼠不走路时,这些位置细胞依次快速激活。图片来自[7]
 
因此,或许可以说,当动物回忆起这一段往事时,回忆的时间线是以空间位置作为坐标的(位置细胞的激活次序)。如果将此架构推及更普遍的情景记忆,或许在认知功能演化的早期,关于记忆中事件的时间标记都是基于某种空间标记的次序。当然,这种空间标记也可以是其他表征的空间,比如声音的频率空间[8]。
 
TA在哪里?
 
奥基夫所发现的位置细胞在动物自己走到某个特定位置时激活,但当动物看着别人走到那个位置的时候有何感想呢?
 
为了让大鼠集中精力观察其他大鼠行走的路线,日本理化研究所的藤泽茂义(Shigeyoshi Fujisawa)研究组训练大鼠每次出门需要先观察并记住另一只大鼠去吃东西所走的路线,然后再走向相反的路线才能吃到食物(而先走的大鼠随便走哪边都行)。
 
 
研究者发现,当大鼠观察同伴走动时,其海马脑区的部分神经元也会在同伴走到特定位置的时候激活,虽然此时该动物只是站在远处观察。
 
那么,这些神经元的激活是否可能并非因为同伴走到特地区域,而是因为当同伴走到那里时,观察的大鼠明白了应该朝相反的方向走才能获得食物,此刻正在心中盘算将要前去的路径呢?
 
对于这个问题,研究者首先要求大鼠沿着和同伴相反的方向前进才能获得食物,过一段时候,再改变游戏规则,要求大鼠跟同伴走相同的方向才能获得食物。如果这些细胞的激活是因为正在观察的大鼠在心中盘算将要前去的路径,那么在两种游戏规则下,这些细胞的激活应不同。但实验结果显示,无论游戏规则如何,这些细胞总是有着相同的反应,说明这些细胞的活动是编码同伴的位置,而非观察者对将来的盘算。
 
然而,若非实验安排,大鼠通常可能并不太关心别的同伴在哪里。蝙蝠则不同,它们是群居动物,社交对它们的日常生活至关重要。
 
来自以色列魏茨曼科学研究所的神经科学家纳楚姆·乌拉诺夫斯(Nachum Ulanovsky)和同事使用了类似于前述在大鼠中的实验设计,发现埃及果蝠(Rousettus aegyptiacus)的海马脑区中也有编码他人位置的位置细胞。
 
那么,这种编码他人位置的细胞是特异地编码同类动物的位置呢?还是只要是移动的物体,移动到特定位置,这些细胞就会激活呢?
 
 
为解答这个问题,研究者人为地移动一个无生命的物体,以吸引蝙蝠沿着某一方向飞行以取得食物。他们发现,当蝙蝠观察无生命的物体的移动时,有些细胞也会对这一物体的位置做出反应。有趣的是,这些对无生命物体反应的细胞和那些对另一只蝙蝠的位置反应的细胞并不是同一群细胞。因此,研究者们判断,蝙蝠的大脑中有特别的细胞专门编码同类的位置。
 
值得注意的是,在蝙蝠和大鼠编码他人位置的细胞中有一部分,不仅在他人飞(走)到某一特定的位置时激活,也会在当自己飞(走)到该位置时得到激活。这一特性很像之前只在灵长类动物(包括人类)中发现的镜像神经元(mirror neurons)。
 
一种新的镜像神经元?
 
镜像神经元由意大利科学家贾科莫·里佐拉蒂(Giacomo Rizzolatti)等人在1996年于猕猴中首先发现[9]。他们发现在猕猴的前运动皮层F5区有一些神经元,会在猕猴伸手去抓某一东西时和看到别人伸手去抓某一东西时,都有相同的激活。同一个神经元,既表达了自身的动作,也表达了他人的动作,因而被称为镜像神经元。
 
镜像神经元被认为是理解他人的基础:通过它,他人的动作在观察者的脑中被转化为观察者自己动作的预演,他人的经验被转化为第一人称的体验,从而得以感同身受。从通过模仿他人进行的学习,到对他人的同情心,都有可能是镜像神经元的作用。
 
此前, 哺乳动物中,人们只在灵长类发现镜像神经元。研究者认为,蝙蝠和大鼠中发现的同时编码自身和他人的位置细胞很有可能也是一种镜像神经元,不但可以理解他人所处的空间位置,及其运动的路径,进一步还可能理解他人的情景记忆和他人的“世界观”。
 
不过,相比传统的位置细胞,纪道云表示,这些编码他人位置的细胞占比较少,而且是通过特别的统计方法筛选出来的,还是需要进一步研究加以确认。另外,这两个研究中的“他人”都只有一个,如果有多个其他个体同时存在,这些位置细胞将会如何反应也是值得进一步研究的问题。
 
参考文献:
1.O'Keefe, J., & Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus asa spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-movingrat. Brain research, 34(1), 171-175.
2.Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M. B., & Moser,E. I. (2005). Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature, 436(7052),801-806.
3. "Social place-cells in the bat hippocampus," by D.B. Omer; S.R. Maimon; L. Las; N.Ulanovsky at Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel. http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aao3474
4. Danjo T, Toyoizumi T, Fujisawa S (2018) Spatial representation of self and other in the hippocampus. Science. doi: 10.1126/science.aao3898.
5. Moser, E. I., Moser, M. B., & McNaughton, B. L. (2017).Spatial representation in the hippocampal formation: a history. Natureneuro Science, 20(11), 1448-1464.
6. O’Keefe, J. (2014). Spatial Cells in the HippocampalFormation. Nobel Lecture on 7 December 2014 at Aula Medica, KarolinskaInstitutet in Stockholm.
7. Colgin, L. L. (2016). Rhythms of the hippocampalnetwork. Nature Reviews Neuroscience, 17(4), 239-249.
8. Aronov, D., Nevers, R., & Tank, D. W. (2017). Mapping ofa non-spatial dimension by the hippocampal–entorhinal circuit. Nature, 543(7647),719-722.
9. Gallese, V. et al. (1996) Action recognition in the premotorcortex. Brain 119, 593–609 
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