《细胞》：我们都一样——人类大脑如何编码时空

文献：Qasim, Salman E., Itzhak Fried, and Joshua Jacobs. 'Phase precession in the human hippocampus and entorhinal cortex.' Cell (2021).

DOI：http:///10.1016/j.cell.2021.04.017

作者：图图 | 封面：Rosemary Collard 

你知道从我们这里去茶颜悦色咋走吗？要多久？当问到这个问题时，你一定会头脑风暴一番，先判断自己在哪，走哪条路经过几个路口才能去到那个人满为患的奶茶店。那你的大脑是如何将这些信息联系起来？我们又为何记得何时何地发生过什么？

这些都要仰仗我们的大脑神经元活动有条不紊的工作。不同的神经元在不同地方不同时间有规划地活跃起来，编码着我们经历的顺序，能帮助我们的大脑形成一个“大局观”。特别的是，之前已有相关研究表明，啮齿类动物的海马体需要单个神经元通过相移（phase precession）有节奏的与局部θ振荡（∼5–10 Hz）合作实现对整体信息的整合压缩，以支撑我们对空间、时间等序列事件的认知、学习和记忆。但是，这十几年来，我们的研究都局限于现存的模式动物研究中，还并未在人体内发现这种相移的现象。

然而，近日，来自哥伦比亚大学工程与应用科学学院的Jacobs研究组，率先报道了他们在人体内的发现，人类大脑同样拥有着这种非常重要的时序编码功能，在空间探索过程中他们在人脑内嗅皮质（entorhinal cortex）和海马体中的神经元中，同样观测到了与啮齿类动物非常类似的相移。除了空间信息，人类大脑的相移还可以编码一些别的更为复杂的信息，比如它们与特殊的目标状态也息息相关。

- Qasim et al., Cell -

为了记录并分析人类大脑中的神经元活动和电位等信息，研究人员分析了13个正在接受耐药性癫痫（drug-resistant epilepsy，DRE）临床治疗的并曾经接受过脑部神经手术（有植入电极）的病患不同脑区的神经元放电情况。这些受试者在虚拟现实空间导航任务中可以自由顺时针或逆时针探索。环境中包含有方形广场和周围的六座特定目标建筑物。

首先，研究人员比较了人类的啮齿类动物的海马体θ振荡，发现人类的θ振荡频率范围明显更广但低频尖峰值更低。在这个实验中，他们对相移的评估是基于2–10 Hz的θ振荡频率，之后，他们鉴别出了受试者海马体和内嗅皮质中与空间信息紧密联系的神经元和它们对应的放电尖峰位置（spike-phase），注意到它们刚开始都会在θ振荡波的相位后期放电。但随着移动时间的推移，它们的放电尖峰会有序的逐步向脑电波相位前移动。这说明神经元的放电尖峰时序与它们对应的空间位置呈负相关，从而根据神经元放电的尖峰相位可以推断出到达位置中心的路径中不同的相对位置。这与之前在啮齿动物中的观察结果非常类似。同时，他们注意到在空间探索任务中，人类大脑中感知位置信息的神经元其相移对空间位置更为敏感，而非单纯对时间流逝敏感，说明这些神经元放电相位能非常有效的编码空间位置信息。

但相移是否只与空间位置有关呢？因为之前在啮齿类动物中发现，还存在一些非空间类行为，例如快速动眼期或跳跃时编码时间等，表明大脑不同区域会普遍利用相移来编码系列事件顺序、状态。所以，人类是否也如此呢？接着研究人员通过测量神经元放电尖峰相位振谱进一步确认，人类大脑中非空间神经元也存在着非常统一有节律的放电现象（比θ振荡频率更高），也就是说这些神经元中也普遍存在着类似编码空间顺序的相移。那么这种非空间相移是否有可能在非空间性更复杂/高级的任务（比如寻找特定目标）中发生改变呢？它们是否有选择性的只在特殊目标相关轨迹中出现，从而有效的将这些轨迹信息结合在一起，进而服务于我们的序列学习和记忆？

在这一测试中，受试者需要根据给出的信号移动到随机选择的目标地点。研究人员发现，有些细胞在移动到一些特殊目标途中会非常有针对性的表现出相移，说明这些细胞（相对集中于前扣带皮质/眼窝前额皮质/杏仁核和海马体）的相移是仅与目标状态相关，而非其他可能的因素，例如不同目标本身引起不同的LFP功率或神经元放电速率，又或是受试者在任务中对不同目标的表现带来的差异，亦或是地理位置等。这些结果证明了，不仅在啮齿动物中，即使在人类大脑中，也存在着通过相移来编码非空间复杂事件的机制。而这极有可能是我们序列行为/学习的基础。

总的来说，这项研究将相移理论很严谨的延伸到了人类大脑，并拓展到了非空间顺序事件中，说明人类与之前的研究过的啮齿类动物模型非常类似。大脑中神经元与局部电位活动可以通过相移实现非常高效的合作共赢来编码时序，这是我们对事件产生有序认知和记忆的坚实神经基础。