生活中，总是有人方向感特别差，容易迷路，大脑到底靠什么“认路”？近日，国际顶级学术期刊《尖端科学》在线发表了张生家教授团队的最新研究成果“躯体感觉皮层中窄调谐的头方向和头部角速度细胞”。通过三年时间的反复实验，陆军军医大学新桥医院神经外科张生家教授团队首次发现了老鼠大脑里不为人知的“指南针”。
△研究人员在避光实验室里监测老鼠活动。
张生家教授所在的实验室坐落在新桥医院一栋小楼里，三间相连的房间被他们分割成了多个独立功能区，两间做了避光处理的房间是完成这项实验最主要的区域。“做避光处理主要是因为老鼠是夜行动物，在夜间更活跃，方便我们白天做实验能模拟老鼠活跃的夜间环境，帮助我们采集到更准确的数据。”该研究论文第一作者龙晓阳博士解释说。
△安装了脑机接口的实验鼠。
这是在2014年诺贝尔生理学或医学奖所发现的经典空间定位系统之外，张生家教授带领着他年轻的研究团队发现的另一套全新的、完整的大脑“指南针”。
张生家教授团队在临床研究发现中风患者的海马·内嗅皮层受损后还能找到回家的路，说明在大脑中可能存在一个尚未发现的“指南针”。另一方面，“躯体感觉皮层”严重受损的病人对空间方位的感知能力急剧下降，说明躯体感觉皮层中可能存在空间方位感知的新功能。
在这项实验中，他们先在老鼠头部植入了能精确探测单个脑细胞的步进微电极。
这样的脑电信号非常微弱，通常在微伏级别，需要经过多级放大才能观测到，并且记录环境和记录设备都必须具有很强的抗电磁干扰能力，一点点干扰就会让信号淹没在噪声之中。
△实验人员在分析信号采集后的实验鼠电生理数据。
△利用植入式脑机接口采集到的实验鼠脑电波在电脑里实时显示。
实验中将电极与监测设备连接后，让实验大鼠在长宽约2米的正方形空间里自由活动，仪器实时监测实验大鼠大脑活动的脑电波，能通过电极探测到单个脑细胞发射的电信号，当大鼠头朝向特定的方向脑电波会被详细记录，并发出类似于一串串做爆米花时“嘭、嘭、嘭……”响声。
△研究人员为实验鼠喂食饼干。
“步进微电极从大脑皮层开始一步步从浅层到深层推进，每前进一步精准到25微米，但往往要十天半个月才能有效记录到一次脑电波的活动，每当听到这‘爆米花’的声音都能让我们兴奋一天！”龙晓阳博士介绍实验过程时说到。
此后，研究人员还将通过显微镜下对实验鼠神经细胞的分布以及步进微电极在大脑里的轨迹，进一步确认实验中立体定位的准确脑区。
△研究人员精心喂养实验鼠。
通过三年多时间对上百只实验鼠的反复记录，张生家教授团队探索了经典大脑空间导航系统海马体外的新脑区，在躯体感觉皮层中存在绘制所处具体地点的“位置细胞”、类似于大脑里指南针的“头方向细胞”、负责环境边缘感应和距离推算的“边界细胞”、相当于空间坐标系的“网格细胞”。
张生家教授介绍，他们进行的这项研究，不仅扩展了传统空间导航系统的理论，赋予了躯体感觉皮层除编码触觉、痛觉、温度和本体感受以外的新功能，还对神经退行性疾病的研究和治疗提供了潜在的新靶向脑区。
△张生家教授带领的年轻研究团队。
张生家教授谈到该研究的意义时说到：“大脑的空间导航系统与神经退行性疾病密切相关。例如，在老年痴呆症早期，大脑空间定位系统最先受到损伤，其中网格细胞最早出现凋亡及放电异常，导致患者认知功能出现障碍，找不到回家的路。我们的研究为神经退行性疾病如老年痴呆症的研究和治疗提供了新的靶向脑区，未来通过基因治疗的方法可以靶向修复受损的网格细胞来延缓和干预老年痴呆症。”
此外，躯体感觉皮层中新型的空间编码原理可以启发类脑智能研究，借鉴神经环路的空间编码和记忆机制，来开发出更强健、优化和节能的类脑导航系统。
上游新闻记者 冉文 李奇 通讯员 曾理 摄影报道
关键词： 脑机结合 首次发现大脑里不为人知的指南针
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