無論是太陽的東升西落，還是城市的東西南北，人們在日常生活中，尋找方向、定位目標或是記憶場景，都需要用大腦對空間信息進行處理和記憶。那么，這個過程是如何在大腦中發(fā)生的？
中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）腦認知與腦疾病研究所研究員王成團隊和南方科技大學生命科學學院助理教授陳小菁團隊發(fā)現(xiàn)，大腦有著GPS導航功能的自我中心神經(jīng)元，它們不僅在神經(jīng)元突觸層次的信息傳遞過程中呈現(xiàn)功能聚類，還能夠在不同場景中募集獨立的神經(jīng)元群體，在大腦處理高級空間信息的過程中發(fā)揮重要作用。
近日，相關論文發(fā)表于《神經(jīng)元》。該研究對理解生物體如何編碼處理空間信息、構建抽象的空間感知有重要啟發(fā)，有望為人工智能領域類腦智能算法的設計和研究帶來新思路。
審稿人評價稱，這項研究產(chǎn)生了關于大腦皮層的寶貴數(shù)據(jù)，是一項非常重要的科學貢獻。
大腦中的“GPS”神經(jīng)元
大腦是如何識別“前后左右”和“東西南北”的？
科學家認為，人類大腦中有一類特殊的自我中心神經(jīng)元，它們和位置細胞、網(wǎng)格細胞等世界中心神經(jīng)元種類共同行使了大腦的GPS導航功能。
自我中心神經(jīng)元可以感知和編碼外部物體與環(huán)境信息，并在大腦中形成“前后左右”坐標系，幫助我們識別周圍環(huán)境中物體的位置和方向，并執(zhí)行導航任務。
“這種編碼方式以個體的主觀視角為參考系，叫作自我中心或主觀編碼機制。”論文共同通訊作者王成解釋說，當人的眼睛在接收到物體信息后，大腦會對其進行編碼，然后辨別方向并找到目標，其中就包括了自我中心編碼和世界中心編碼兩種方式。
世界中心編碼方式則以外部環(huán)境為參考系，將感知到的外部信息編碼成類似“東西南北”的坐標系?！笆澜缰行木幋a方式是建立在自我中心編碼的計算和轉換上的。換言之，相比處理‘前后左右’的位置信息，大腦在處理‘東西南北’的位置信息時，要經(jīng)過更為復雜的編碼過程?！蓖醭山忉屨f。
近年來，科學家對自我中心編碼機制進行了一些探索，但對于大腦中自我中心編碼機制如何處理不同場景中不同物體的信息仍然知之甚少。
一直以來，王成與陳小菁長期從事空間信息處理的神經(jīng)機制研究，他們在前期工作中發(fā)現(xiàn)，海馬體的主要輸入腦區(qū)——外側內(nèi)嗅皮層和內(nèi)側內(nèi)嗅皮層，分別采用自我中心和世界中心編碼空間信息。相關成果2018年發(fā)表于《科學》。
為進一步探索多場景多物體的自我中心編碼機制，2019年，王成在完成美國約翰斯·霍普金斯大學的博士后研究工作之后，回國來到深圳先進院組建團隊開展空間感知領域研究。
“空間感知研究中，跨學科交叉很重要。如今國內(nèi)神經(jīng)科學方面的交流很活躍，越來越注重多學科合作，這是我回國的重要原因。而深圳是一個充滿活力的地方，將為空間感知研究帶來更多的可能性，碰撞出新的火花?！蓖醭烧f。
高級空間感知的“指揮官”
在該研究中，王成與研究團隊從實驗手段開始創(chuàng)新。他們首先開發(fā)了虛擬現(xiàn)實行為范式，運用在體單/雙光子顯微鏡技術，記錄和研究了虛擬現(xiàn)實場景中小鼠的自我中心神經(jīng)元在曠場自由覓食、虛擬現(xiàn)實導航任務中的功能關系。
“我們分析了小鼠的行為數(shù)據(jù)和神經(jīng)元生理數(shù)據(jù)，了解到小鼠神經(jīng)元對外界刺激的偏好性，進一步解析了小鼠自我中心神經(jīng)元在亞細胞層次的組織結構?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⑸钲谙冗M院腦認知與腦疾病研究所助理研究員程寧介紹，研究發(fā)現(xiàn)，自我中心神經(jīng)元的樹突中具有顯著的自我中心調(diào)諧的功能聚類，這表明其可能存在專門的神經(jīng)功能通道用于處理不同場景中物體的位置信息。
研究團隊進一步比較了小鼠在兩個任務中對不同物體的自我中心編碼機制，發(fā)現(xiàn)在截然不同的空間導航任務中，相互獨立群體的自我中心神經(jīng)元會分別編碼不同場景中的物體。
“也就是說，自我中心神經(jīng)元在不同場景不同物體的這種高級空間感知上發(fā)揮重要作用，可以幫助大腦辨別不同物體相對自身的‘前后左右’的位置?！背虒幗忉屨f。
自我中心細胞和世界中心神經(jīng)元共同構成大腦空間感知的“指揮官”。當人們要往東邊走時，世界中心神經(jīng)元就會幫助人們辨別“東”的位置，并導航到目標位置；如果人們要向左走，自我中心細胞就會辨別“左”的位置并完成導航任務。
為何這群神經(jīng)元有著如此特殊的功能？“這可能是人們在進化和發(fā)育成長過程中，在特定規(guī)律下形成的神經(jīng)元類型決定的。”王成說。
在該研究中，研究團隊首次解析了自我中心神經(jīng)元在亞細胞層次的組織結構，并發(fā)現(xiàn)其在不同場景下，自我中心神經(jīng)元在結構功能上的變化，對人工智能領域類腦智能算法的設計和研究具有重要的借鑒意義。
“大腦如何通過神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)空間認知？這種認知過程與人類的導航、方向感知等行為有何關聯(lián)？這些問題的解決將有助于人們更好地理解大腦的工作原理和認知過程，為人工智能發(fā)展提供新的思路和方法，讓機器更好地模擬人類的空間認知和行為決策，從而提升機器的學習能力和智能水平。”王成說。
王成表示，此次研究團隊只在神經(jīng)細胞的亞細胞層次結構組織進行了功能機制的解析，對于神經(jīng)元是如何具體運作并發(fā)揮功能、其在整個神經(jīng)網(wǎng)絡體系中發(fā)揮怎樣的作用等，仍需要進一步探究。未來，構建更大的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，將是研究團隊的重要研究方向。
來源：中國科學報
原標題：大腦里有位GPS“指揮官”
作者：本報記者 刁雯蕙
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