摘要：你是否曾经在第一天到达一个新的城市时，就记住了许多美丽的地点，比如一条安静小巷中的花园？但可能需要几天时间，你才能熟悉这个社区，为新来的游客指引这些地方。这种转变的背后是大脑如何将各个独立的位置整合成一个连贯的整体空间认知地图的过程。麻省理工学院（MIT）皮考

图片来源：Wei Guo

你是否曾经在第一天到达一个新的城市时，就记住了许多美丽的地点，比如一条安静小巷中的花园？但可能需要几天时间，你才能熟悉这个社区，为新来的游客指引这些地方。这种转变的背后是大脑如何将各个独立的位置整合成一个连贯的整体空间认知地图的过程。麻省理工学院（MIT）皮考尔学习与记忆研究所（The Picower Institute for Learning and Memory）的一项新研究揭示了这一过程，并强调了睡眠在此过程中扮演的关键角色。

研究介绍

科学家们早就知道，海马体（hippocampus）中的一类神经元——位置细胞（place cells），专门负责记住特定的地点。当动物处于该神经元所编码的特定位置时，这些细胞会可靠地激活。但是，拥有标记特定地点的记忆并不如拥有一张将所有地点关联起来的心理模型来得有用。尽管“认知地图”（cognitive maps）的概念早在1948年就被正式提出，但神经科学家们一直不清楚大脑是如何构建这些地图的。

12月发表于《细胞报告》（Cell Reports）杂志上的这项研究表明，构建完整的空间认知地图可能依赖于那些对个别位置只有微弱反应的细胞活动在数天内的微妙变化。这些所谓的“弱空间细胞”（weakly spatial cells）通过增加整个空间编码的稳健性和精细度，增强了海马体网络的活动。随着睡眠的发生，这些细胞逐渐丰富了海马体中的神经网络活动，从而将各个地点连接成一张认知地图。

“第一天的时候，大脑并不能很好地表示这个空间，”主要作者Wei Guo解释道，“神经元可以代表单个地点，但它们并没有共同形成一幅地图。而到了第五天，它们形成了地图。如果你想得到一幅地图，就需要所有这些神经元作为一个协调的整体一起工作。”

研究方法

为了进行这项研究，Guo和他的同事们设计了一种方法，让数百个海马体CA1区域的神经元在钙离子积累使其电活动增强时发光。他们不仅记录了小鼠在活跃探索时的神经元闪光，还包括了它们睡眠期间的活动。此前的研究表明，小鼠在没有奖励的情况下，通过自由探索也能自然地展示出对空间的“潜在学习”（latent learning）。

通过分析这些记录，研究人员发现位置细胞的活动在探索的第一天立即发展，并在接下来的几天里保持强烈且不变。但这还不足以解释潜在学习或认知地图在几天内如何演变。因此，不同于其他研究只关注位置细胞的强活动，Guo还分析了那些对空间不那么敏感的细胞更为微妙的活动。他使用了一种新兴的技术——流形学习（manifold learning），发现许多“弱空间细胞”逐渐将其活动与其他神经元的活动模式相关联，而不是与具体位置相关。这使得网络对迷宫的认知地图越来越接近实际的物理空间。

“虽然不像强空间细胞那样对特定位置作出反应，弱空间细胞却专门对‘心理位置’作出反应，即其他细胞特定的集合放电模式。”研究作者写道，“如果一个弱空间细胞的‘心理场’涵盖了两个分别编码不同地点的强空间细胞子集，这个弱空间细胞就可以作为这两个地点之间的桥梁。”

换句话说，弱空间细胞的活动很可能是将由位置细胞代表的各个地点缝合成一个心理地图的关键。

先前的研究已经表明，记忆在睡眠和休息期间通过神经活动（如重播）得到巩固、精炼和处理。因此，Guo和Wilson的团队测试了睡眠对于弱空间细胞参与潜在学习和认知地图构建的必要性。他们让一些小鼠在同一天两次探索新的迷宫，并在中间安排了三个小时的午睡。一部分小鼠被允许睡觉，而另一部分则不允许。结果显示，允许睡觉的小鼠其心理地图得到了显著改善，而不允许睡觉的小鼠则没有这样的进步。

不仅是整体的地图编码得到了改进，个体细胞在调谐到具体地点和网络活动模式（即“心理位置”或“领域”）方面也表现得更好。

研究意义

值得注意的是，小鼠在几天内编码的认知地图并不是迷宫的实际精确地图，而是更像一种示意图。它的价值在于它为大脑提供了一个可以在脑海中探索的拓扑结构，而不需要身处实际的空间。例如，一旦你对酒店周围的街区有了认知地图，你就可以计划第二天早晨的游览路线（比如想象去几条街外的面包店买个可颂面包，然后想象在河边公园的长椅上享用它）。

Wilson推测，弱空间细胞的活动可能叠加了非空间信息，为地图带来了额外的意义（例如，烘焙店的概念不是空间性的，即使它与特定位置紧密相连）。尽管本研究没有在迷宫中设置地标，也没有测试小鼠的具体行为，但它识别出了弱空间细胞对映射有重要意义，未来的研究可以进一步探讨这些细胞可能将什么类型的信息融入动物对其环境的感觉中。

“在这项研究中，我们专注于动物自然行为，并证明了在自由探索行为和随后的睡眠期间，在没有任何强化的情况下，集合水平上仍然会发生实质性的神经可塑性变化，”作者总结道，“这种隐式和无监督的学习形式构成了人类学习和智能的重要方面，值得进一步深入研究。”

来源：启真脑机智能基地