Nature绘制心中的目标

包括啮齿动物和人类在内的动物可以依靠大脑内部的认知地图导航到想要的位置。虽然之前的研究已经确定了帮助我们确定自身在空间中的位置和方向的特殊神经元，但大脑是否能够处理对未来目标位置的精确估计一直是一个长期存在的问题。法兰克福马克斯·普朗克大脑研究所(Max planck Institute for Brain Research)的科学家们现在发现了一种空间目标的神经代码，证明了大脑的目标地图的存在，它将引导我们跨越空间和时间走向一个遥远的目的地。

为了完成简单的日常琐事，比如计划去当地的超市，你需要在你还在家的时候在脑海中想象超市的样子，这样你的大脑就可以计算出即将到来的旅程的最佳路线。但是，大脑的空间地图如何能同时代表空间中的两个位置——你的大部分感官都能感知到的家和超出你感官感知范围的超市?神经学家们在过去的50年里一直在努力解决这个问题。

“自从诺贝尔奖得主John O’Keefe及其同事在1971年发现位置细胞以来，空间导航研究主要集中在调节动物瞬时位置或方向的神经元的特性上，”Hiroshi Ito说，马克斯·普朗克大脑研究所的研究小组负责人，他领导了发表在《Nature》杂志上的这项新研究。过去几十年的研究让我们更好地了解了如何在空间中跟踪自己的位置和方向。然而，目标估计的证据——空间导航的另一个基本方面——到目前为止几乎完全缺失。

“我们目前的工作解决了这个难题，表明未来的目标表现为一种神经活动模式，类似于之前访问目标地点(如超市)的模式。例如，当动物访问空间中的特定位置时，会观察到一种特定的神经活动模式。然而，我们发现，只要动物决定将目标定位为导航目标，这种活动模式就会重新出现，而不管动物实际所处的位置如何，”Ito说。

“我们设计了一个任务，在这个任务中，老鼠需要导航到一个偏远的地方，那里会提供奖励。值得注意的是，奖励的位置一直在变化，这确保了老鼠不断更新它的目标位置，”Ito实验室的博士后、这项新研究的第一作者Raunak Basu解释道。作为代表未来目标的候选大脑区域，科学家们将注意力集中在眶额叶皮层(OFC)——前额叶皮层的一个子区域——该区域被认为与决策有关，但在空间导航方面仍相对未被探索。

为了研究OFC的神经模式，研究人员同时测量了数百个神经元的活动。“我们通过使用定制的3d打印记录设备实现了这一点，该设备可以在老鼠的大脑中插入多达60根超薄电线(四极管)。这些设备使我们能够监测OFC的神经活动模式，从老鼠开始它们的旅程，直到他们到达目标位置。在统计解码技术的帮助下，我们确认了这些模式有显著的相似之处，这表明未来的目标在整个航行过程中都体现在OFC中。”

受到这一发现的推动，Basu和同事们提出了一个问题:OFC神经元的活动是否会对动物的目的地产生因果影响?为此，他们在旅程开始时使用脉冲激光来扰乱OFC中神经元的活动。Basu回忆道:“最让我惊讶的是，这只几乎完美地完成导航任务的老鼠，突然受到干扰，不知不觉地走过了一个正确的目标，并走向了一个错误的位置。一旦干扰停止，这种导航错误是可逆的，这表明这种损伤不是由于目标记忆的普遍丧失。”

“我们的工作指向了大脑中一个平行的内部地图系统，它更专注于代表一个目的地，而不是动物在导航过程中所经过的短暂地点。因此，有趣的是，大脑使用多个地图系统，不仅追踪自我的当前状态，也追踪自我的未来状态，这可能是支持我们准确灵活导航能力的神经基础。”Ito总结道。