北京時(shí)間12月14日晚，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所研究員王成團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院助理教授陳小菁團(tuán)隊(duì)的最新研究成果發(fā)表於《神經(jīng)元》。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在大腦有著「GPS」導(dǎo)航功能的自我中心神經(jīng)元（Self-Centered or egocentric neuron），它們不僅在神經(jīng)元的突觸層次的信息傳遞過程中呈現(xiàn)功能聚類，還能夠在不同的場景中募集獨(dú)立的神經(jīng)元群體，在大腦處理高級(jí)空間信息的過程中發(fā)揮重要作用。該研究對理解生物體如何編碼處理空間信息，構(gòu)建抽象的空間感知有重要啟發(fā)，有望為人工智能領(lǐng)域類腦智能算法的設(shè)計(jì)和研究帶來新思路。
「這是一個(gè)技術(shù)上非常優(yōu)秀的項(xiàng)目，它產(chǎn)生了關(guān)於大腦皮層的寶貴數(shù)據(jù)，由於其在空間認(rèn)知和記憶中的重要性，該腦區(qū)目前引起了相當(dāng)大的興趣。是一項(xiàng)非常重要的科學(xué)貢獻(xiàn)?！箤徃迦藢υ撗芯吭u價(jià)道。
深圳先進(jìn)院腦所助理研究員程寧、研究助理董奇琦、博士後張真（已出站）為共同第一作者，深圳先進(jìn)院腦所研究員王成、南科大生命科學(xué)學(xué)院助理教授陳小菁為論文共同通訊作者。深圳先進(jìn)院為該成果第一單位。
大腦中的「GPS」神經(jīng)元
科學(xué)家們認(rèn)為，在人的大腦中，有一類特殊的自我中心神經(jīng)元，它們和世界中心神經(jīng)元種類（world-centered, or allocentric neuron），如位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞等，共同行使了大腦「GPS」導(dǎo)航的功能。自我中心神經(jīng)元可以感知和編碼外部物體和環(huán)境信息，並在大腦中形成「前後左右」坐標(biāo)系，幫助我們識(shí)別周圍環(huán)境中的物體的位置和方向，並執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)。
「世界中心的編碼方式是建立在自我中心編碼的計(jì)算和轉(zhuǎn)換上的。換言之，相比起處理 『前後左右』的位置信息，大腦在處理『東西南北』的位置信息要經(jīng)過更為複雜的編碼過程?！雇醭山忉尩?。
近年來，科學(xué)家們對自我中心編碼機(jī)制進(jìn)行了一些探索，但對於大腦中自我中心編碼機(jī)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(jī)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(cè)內(nèi)嗅皮層和內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層，分別採用自我中心和世界中心編碼空間信息，相關(guān)成果在2018年發(fā)表於《科學(xué)》雜誌。
為進(jìn)一步探索多場景多物體的自我中心編碼機(jī)制，2019年，王成在完成美國約翰霍普金斯大學(xué)的博士後工作之後，回國來到深圳先進(jìn)院，組建團(tuán)隊(duì)開展空間感知領(lǐng)域研究。
「空間感知研究中，跨學(xué)科交叉很重要。如今國內(nèi)在神經(jīng)科學(xué)的交流很活躍，越來越注重多學(xué)科合作，這是我回國的重要原因。而深圳是一個(gè)充滿活力的地方，將為空間感知研究帶來更多新的可能性，碰撞出新的火花。」王成說道。
高級(jí)空間感知的「指揮官」
在該研究中，王成與研究團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)手段開始創(chuàng)新。他們首先開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)行為範(fàn)式，運(yùn)用在體單/雙光子顯微鏡技術(shù)，記錄和研究了在虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)導(dǎo)航任務(wù)中的功能關(guān)係。
「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)，來了解小鼠神經(jīng)元對外界刺激的偏好性，並進(jìn)一步解析了小鼠自我中心神經(jīng)元在亞細(xì)胞層次的組織結(jié)構(gòu)?！拐撐墓餐谝蛔髡叱虒幗榻B，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自我中心神經(jīng)元的樹突中具有顯著自我中心調(diào)諧的功能聚類，這表明其可能存在專門的神經(jīng)功能通道用於處理不同場景中物體的位置信息。
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)比較了小鼠在兩個(gè)任務(wù)中不同物體的自我中心編碼機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在截然不同的空間導(dǎo)航任務(wù)中，相互獨(dú)立群體的自我中心神經(jīng)元會(huì)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(jí)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『前後左右』的位置?！拐撐牡谝蛔髡叱虒幗忉尩?。
自我中心細(xì)胞和世界中心神經(jīng)元共同構(gòu)成大腦空間感知的「指揮官」。當(dāng)人們要往東邊走時(shí)，世界中心神經(jīng)元就會(huì)幫助人們辨別「東」的位置，並導(dǎo)航到目標(biāo)位置的指揮官；另一方面，如果人們要向左走，自我中心細(xì)胞它們會(huì)辨別「左」的位置並完成導(dǎo)航任務(wù)。
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(jìn)化和發(fā)育成長過程，在特定規(guī)律下形成的神經(jīng)元類型決定的。」王成介紹。
在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次解析了自我中心神經(jīng)元在亞細(xì)胞層次的組織結(jié)構(gòu)，並發(fā)現(xiàn)其在不同場景下，自我中心神經(jīng)元在結(jié)構(gòu)功能上的變化，對人工智能領(lǐng)域類腦智能算法的設(shè)計(jì)和研究具有重要的借鑑意義。
「大腦如何通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)空間認(rèn)知，這種認(rèn)知過程又與人類的導(dǎo)航、方向感知等行為有何關(guān)聯(lián)等等。這些問題的解決將有助於人們更好地理解大腦的工作原理和認(rèn)知過程，為人工智能發(fā)展提供新的思路和方法，讓機(jī)器更好地模擬人類的空間認(rèn)知和行為決策，從而提升機(jī)器的學(xué)習(xí)能力和智能水平。」王成說道。
王成表示，此次研究團(tuán)隊(duì)只在神經(jīng)細(xì)胞的亞細(xì)胞層次結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行了功能機(jī)制的解析，對於神經(jīng)元是如何具體運(yùn)作並發(fā)揮功能，其在整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系中發(fā)揮怎樣的作用等，仍需要進(jìn)一步探究。未來，構(gòu)建更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將是研究團(tuán)隊(duì)的重要研究方向。（記者 林麗青）
頂圖：論文通訊作者王成（左三）與論文共同第一作者程寧（左一）、董奇琦（左二）（科研團(tuán)隊(duì)供圖）
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