网状神经元在人类空间导航中活动的直接记录.doc

网状神经元在人类空间导航中活动的直接记录 内嗅皮层中的网格细胞可以通过三角坐标系来确定其在空间中的位置。人们已经在老鼠、蝙蝠、猴子身上发现这种细胞，并且确信它可以支持大范围的空间导航行为。通过记录神经外科病人在进行虚拟导航任务中的神经活动，我们在人类大脑中找到处于活跃状态的的网格细胞，这表明人类和比之简单的动物都依赖于同一个空间编码方式。 在含有海马区和内嗅皮质的海马构造中，包含着支持空间导航和记忆的一系列不同的细胞类型。这个系统的一个关键组成部分是海马位置细胞，它在一个特定的空间位置可以使动物通过自我定位从而进行导航和空间记忆。已经确认位置细胞存在与不同的物种中，包括老鼠、蝙蝠、人类。很多研究都把重点指向位置细胞是如何产生形成的并且它是如何在没有外界感觉输入的情况下使动物确认当前位置的。对内嗅皮质中网格细胞及其方向的发现给我们提供了一个可能的答案，即通过使用特征三角坐标并且实时更新动物的行为从而给海马区提供一个强烈的位置信号。 在我们人类身上，通过功能型磁共振成像（fMRI）给网格细胞的存在提供了间接的支持。在对对象做空间放置任务时通过功能型磁共振成像可以看到在一个区域中有血流动力学的活动行为，这种区域包括内嗅皮质，并且调制了其运动方向。值得注意的是，这种定向活动具有六重旋转对称，因此符合60°网格单元周期性的放电模式。我们通过入侵大脑获得的记录提供了在导航灵长类动物中网格细胞存在的电生理学上的直接证据。 为了直接识别并展现出人类网格状空间发射的神经元，我们在14名接受治疗耐药性癫痫病人的手术中植入电极来记录单一神经的活跃行为。由于监测癫痫需要临床使用的记录设备，因此病人被约束在床上身体无法移动，相反，病人通过床头的笔记本电脑进行虚拟的导航任务。任务要求他们在虚拟环境中导航隐藏在四个不同地点的对象（图1a），不同于以往的研究，这个环境是一个大型的开放式广场，类似于通常记录啮齿动物网格细胞的大舞台。任务的每次实验都需要使参与者导航到一个随机选择的对象的位置上，因为对象是不可视的，参与者可能使用一个基于路径积分的探奇型导航策略，这种策略依赖于海马结构。参与者可以成功的确认四个物体的位置，在每次测试的过程中发现确认对象位置所用的时间从14秒显著地下降到8秒（P 0.005，t检验，图1b）。 我们通过测量每个在虚拟环境下的细胞的放电频率和测试其中个别细胞激活的位置是否处于一个六重对称性的三角网格来确认空间发射网格状细胞的形态。为了测量神经元的放电形态，我们把其平方环境分为28×28的阵列来确定参与者的位置，并且计算在每个虚拟位置中每个神经元的平均放电频率。我们发现，一些细胞在多个地点所表现的活动性增强了。因此，这些细胞根本不同于通常只活动在一个位置的海马位置细胞。 接下来，我们测试每个神经元都处于活动的多个位置是否排列于作为网格细胞特性的三角晶格的结构中。这使我们可以区分网格状细胞和其他细胞（如大脑尖顶的细胞）在多个空间位置的活动行为，为了测量由细胞放电而显示出的位置之间的空间排列，我们通过每个细胞放电频率图计算了二维空间的自相关函数，我们发现许多细胞的自相关函数具有多个不同的对称峰值（图2和补充图1），在许多情况下，这些模式具有这些模式具有六倍（60°）的对称性，这表明在这些位置中的细胞活动在一个三角形的网格区域，它类似于在啮齿类动物中观察到的形态。 图1：虚拟导航实验 （a）实验参与者的视野 （b）实验连续测量反应时间的平均时间 （c）多余的路径长度平均值，VRU是衡量虚拟距离的一种方式，其中的阴影区是指95％的置信区间 图2：空间网状细胞放电的例子 实验参与者6的左内嗅皮质中的细胞活动，左为俯视图，颜色区域代表着在每个虚拟位置的放电频率。中间为细胞的二维自相关活动图，自相关函数的峰值决定了网格（用白色x绘出的区域）的间距和角度。右图的细胞尖峰波形，红色表示平均值。 实验参与者10的右内嗅皮质细胞的放电活动。 （c、d）实验参与者10的右内嗅皮质的一个不同的细胞在两次连续实验中的放电活动形态。 （e）实验参与者10的右内嗅皮质的一个不同的细胞的活动形态。 （f）实验参与者11的右内嗅皮质的细胞的活动形态。 （g）实验参与者7的右内嗅皮质的细胞的活动形态。 （h）实验参与者7的右内嗅皮质的一个不同的细胞的活动形态。 (i) 实验参与者10的右海马组织的细胞的活动形态。 （j）实验参与者10的右海马旁回细胞的活动形态。 为了识别细胞具有明显的网格状空间放电现象，我们计算了每个细胞的gridness 值，这种细胞设定周期为60°的空间自相关函数。通过计算gridness值，把它作为自相关的平均差异，期望的网格细胞自相关尖峰处的角度（60° 和 120°）同期望的槽处的角度（30°, 90° 和 150°)