众所周知，我们依赖大脑构建的空间地图去导航和识别环境，但有时，它似乎喜欢跟我们开个玩笑。
你有没有过这样的经历：开车驶入一个新的地点，或是突然走进一个陌生的街区，虽然记忆里确定自己从未来过这里，但眼前的某一处景象却异常熟悉。也许是一个大楼的电梯口，或是一段看似普通的街道，这种突如其来的熟悉感让人不禁停顿几秒，不经质疑自己是否真的没有来过这里？
其实，这种现象被称为
“既视感”或“幻觉记忆”，
也是神经科学家和心理学家们长期探究的一个谜题。这种神奇的大脑感知力是如何运行的呢？
最近，一项由诺贝尔奖实验室进行的研究为我们提供了新的视角。该研究发表在
Nature，
揭示了大脑中海马体和内侧内嗅皮层（MEC）的位置细胞与网格细胞是如何通过一种称为
“左右交替的theta扫掠”机制编码空间位置信息的。
这些发现不仅帮助我们理解人类为何会产生既视感，还为治疗与记忆相关的疾病提供了新的思路。
首先，让我们了解一些背景知识：
1. “位置细胞”、“网格细胞”：
假设你正在一个不熟悉的地方旅行，为了更快找到目的地，你或许会打开手机的定位导航，这个GPS会持续更新你的当前位置，并提供周围环境的信息。大脑中的一些神经细胞就执行着类似GPS的功能。这些特殊的细胞被称为“位置细胞”和“网格细胞”。
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位置细胞：
主要位于海马体中，当动物（或人）处于某个特定位置时，这些细胞变得活跃。
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网格细胞：
存在于内侧内嗅皮层（MEC），它们的活动模式在环境中形成了六边形的网格结构，就像在地图上看到的经纬线一样，帮助我们理解和记住空间布局。
2. Theta振荡：
大脑中存在一种特别的脑电波——Theta振荡，它的频率大约在6-12赫兹之间，就像大脑内部的一个“节拍器”。这种“节拍器”帮助神经细胞同步它们的活动。尤其是在动物移动、探索新环境或进行需要空间认知的任务时，Theta振荡显得尤为活跃。
实验设计
为了揭开大脑如何帮助我们在空间中导航的奥秘，研究者们进行了一系列复杂的实验。他们选择了19只Long Evans大鼠作为实验对象，并通过植入Neuropixels硅探针来记录这些动物内侧内嗅皮层（MEC）和海马体中的神经活动。实验包括在开放场地觅食、在直线轨道上穿梭以及在“马车轮”轨道上完成探索和导航的任务等。
在这项研究中，研究人员使用了高站点计数的Neuropixels探针记录神经元的活动，并通过计算瞬时放电率群体向量（PVs）与会话平均PV的相关性来解码位置。此外，研究还分析了网格细胞和位置细胞在theta周期中的活动模式，及其与动物头部方向的关系。
左右交替的Theta扫掠
研究结果揭示了一个非常有趣的现象：
在每个Theta振荡周期内，位置细胞和网格细胞的活动会从动物的当前位置向外“扫掠”。
这种扫掠的方向并不是固定的，而是左右交替的。也就是说，如果在一个Theta周期内，这些细胞的活动扫掠向左边，那么在下一个Theta周期内，它们就会扫掠向右边。这一现象在所有被记录的16只动物中都被观察到，
并且与动物的头部方向成大约24°的角度。
图1. 网格细胞和位置细胞交替扫描环境空间
这些扫掠不仅有规律可循，其长度也呈现出一定的模式，
平均长度约为22.5厘米，并且与网格模块的间距成比例。
这意味着不同网格模块的扫掠长度根据它们的网格间距而有所不同，但比例相似。
具体而言，扫掠方向在不同网格模块之间的一致性很高，在74.4%的theta周期三元组中扫掠方向交替出现，且扫掠长度与网格模块间距的比例为19.7%，很少超过间距的一半。
指南针般的内部方向细胞
进一步的研究发现，
扫掠的方向与一种称为“内部方向”的信号一致，这种信号由一群与网格细胞有功能连接的细胞编码，这些细胞主要位于寄生下丘脑（parasubiculum）。
内部方向细胞的活动在theta周期中左右交替，与扫掠方向高度一致。
展开来说，内部方向细胞的活动在86.1%的theta周期三元组中左右交替，且与扫掠方向的绝对平均角度仅为4.4°。如果作个易于理解的比喻的话，这些内部方向细胞就像是一个指南针，告诉网格细胞和位置细胞应该朝哪个方向扫掠。
图2. 扫描与寄生下丘脑的交替方向信号对齐
那这种左右交替的扫掠模式有什么用呢？研究者表示这实则是
一种高效的空间采样机制。
它可以帮助动物在移动过程中动态地感知周围的环境，即使是在它们没有实际访问过的地方，也能形成空间表征，就像是一个“虚拟雷达”，不断扫描周围的环境，甚至能够超前感知！
更有趣的是，研究者发现，
即使是在动物睡觉的时候，这种扫掠模式仍然存在。
在快速眼动睡眠（REM）阶段，扫掠和内部方向信号仍然保持左右交替的模式。这表明，
这种扫掠机制不仅仅与动物的行为有关，它还是一种基本的大脑活动模式，可能与记忆的巩固和更新密切相关。
图3. 扫描和内部方向信号在睡眠期间仍然存在
大脑中的扫掠模式很强大！
为了验证左右交替的扫掠模式是否是一种高效的策略，研究者们构建了
一个理想化的扫掠生成代理模型。
该模型通过选择最小化与之前扫掠重叠的方向来生成新的扫掠。
模拟结果显示，
这种左右交替的扫掠模式能够显著减少扫掠之间的重叠，从而更有效地覆盖周围空间。
这意味着，大脑采用这种方式可以最大化地探索未知区域，帮助动物更好地理解周围的环境。
图4. 扫掠以最佳效率覆盖附近空间
此外，
研究还发现，扫掠不仅覆盖了动物实际访问过的位置，还能神奇地延伸到未被探索的空间！
这种现象不禁让人联想到前文所说的“既视感”或“幻觉记忆”。
在实验中，大鼠在“马车轮”轨道和直线轨道任务中，脑中的扫掠方向指向了轨道两侧未被探索的空间，并且在开放场地中，扫掠甚至延伸到了场地墙壁之外的区域。这表明，即使是在未曾涉足的地方，大脑也能通过这种左右交替的扫掠机制形成空间表征，为我们提供“本能的导航”。
图5. 扫荡范围扩大到从未去过的地方
既然这种左右交替的扫掠机制如此强大，我们是否能够主动控制它呢？
遗憾的是，
研究显示，扫掠的方向并不直接与动物的行为目标或决策过程相关。
相反，它似乎是由一种内在机制自主调控的，其主要目的是最大化周围空间的覆盖范围。
例如，即使动物只沿着直线路径移动时，扫掠的方向依然会左右交替，并且这种交替模式在快速移动时更为显著。这表明，大脑中的导航系统不仅仅响应外部环境的变化，还在内部持续优化对空间的感知。
小结
综上所述，这项研究表明，大脑通过神经元的协同活动构建和更新空间认知地图，即使在从未访问过的位置，大脑也能通过左右交替的扫掠机制形成空间表征，帮助我们在复杂环境中进行有效的导航和决策。这一发现不仅揭示了大脑处理空间信息的方式，还为我们理解神秘的‘既视感’或‘幻觉记忆’提供了新的视角，即大脑可能在未实际访问过的位置形成空间表征，从而引发熟悉感。
其实，这种左右交替的扫掠机制和我们日常生活中许多下意识的导航行为相似，例如我们在陌生的地方会不自觉地左右张望，寻找熟悉的地标，那时，我们大脑里的“导航员”也在不断地左右扫视，帮助定位~
参考文献：
Left–right-alternating theta sweeps in entorhinal–hippocampal maps of space
DOI: 10.1038/s41586-024-08527-1
撰文｜
ZZN
