眾所周知，我們依賴大腦構建的空間地圖去導航和識別環境，但有時，它似乎喜歡跟我們開個玩笑。
你有沒有過這樣的經歷：開車駛入一個新的地點，或是突然走進一個陌生的街區，雖然記憶裡確定自己從未來過這裡，但眼前的某一處景象卻異常熟悉。也許是一個大樓的電梯口，或是一段看似普通的街道，這種突如其來的熟悉感讓人不禁停頓幾秒，不經質疑自己是否真的沒有來過這裡？
其實，這種現象被稱為“既視感”或“幻覺記憶”，也是神經科學家和心理學家們長期探究的一個謎題。這種神奇的大腦感知力是如何執行的呢？
最近，一項由諾貝爾獎實驗室進行的研究為我們提供了新的視角。該研究發表在Nature，揭示了大腦中海馬體和內側內嗅皮層（MEC）的位置細胞與網格細胞是如何透過一種稱為“左右交替的theta掃掠”機制編碼空間位置資訊的。這些發現不僅幫助我們理解人類為何會產生既視感，還為治療與記憶相關的疾病提供了新的思路。
首先，讓我們瞭解一些背景知識：
1. “位置細胞”、“網格細胞”：假設你正在一個不熟悉的地方旅行，為了更快找到目的地，你或許會開啟手機的定位導航，這個GPS會持續更新你的當前位置，並提供周圍環境的資訊。大腦中的一些神經細胞就執行著類似GPS的功能。這些特殊的細胞被稱為“位置細胞”和“網格細胞”。
➤ 位置細胞：主要位於海馬體中，當動物（或人）處於某個特定位置時，這些細胞變得活躍。
➤ 網格細胞：存在於內側內嗅皮層（MEC），它們的活動模式在環境中形成了六邊形的網格結構，就像在地圖上看到的經緯線一樣，幫助我們理解和記住空間佈局。
2. Theta振盪：大腦中存在一種特別的腦電波——Theta振盪，它的頻率大約在6-12赫茲之間，就像大腦內部的一個“節拍器”。這種“節拍器”幫助神經細胞同步它們的活動。尤其是在動物移動、探索新環境或進行需要空間認知的任務時，Theta振盪顯得尤為活躍。
實驗設計
為了揭開大腦如何幫助我們在空間中導航的奧秘，研究者們進行了一系列複雜的實驗。他們選擇了19只Long Evans大鼠作為實驗物件，並透過植入Neuropixels矽探針來記錄這些動物內側內嗅皮層（MEC）和海馬體中的神經活動。實驗包括在開放場地覓食、在直線軌道上穿梭以及在“馬車輪”軌道上完成探索和導航的任務等。
在這項研究中，研究人員使用了高站點計數的Neuropixels探針記錄神經元的活動，並透過計算瞬時放電率群體向量（PVs）與會話平均PV的相關性來解碼位置。此外，研究還分析了網格細胞和位置細胞在theta週期中的活動模式，及其與動物頭部方向的關係。
左右交替的Theta掃掠
研究結果揭示了一個非常有趣的現象：在每個Theta振盪週期內，位置細胞和網格細胞的活動會從動物的當前位置向外“掃掠”。這種掃掠的方向並不是固定的，而是左右交替的。也就是說，如果在一個Theta週期內，這些細胞的活動掃掠向左邊，那麼在下一個Theta週期內，它們就會掃掠向右邊。這一現象在所有被記錄的16只動物中都被觀察到，並且與動物的頭部方向成大約24°的角度。
圖1. 網格細胞和位置細胞交替掃描環境空間
這些掃掠不僅有規律可循，其長度也呈現出一定的模式，平均長度約為22.5釐米，並且與網格模組的間距成比例。這意味著不同網格模組的掃掠長度根據它們的網格間距而有所不同，但比例相似。
具體而言，掃掠方向在不同網格模組之間的一致性很高，在74.4%的theta週期三元組中掃掠方向交替出現，且掃掠長度與網格模組間距的比例為19.7%，很少超過間距的一半。
指南針般的內部方向細胞
進一步的研究發現，掃掠的方向與一種稱為“內部方向”的訊號一致，這種訊號由一群與網格細胞有功能連線的細胞編碼，這些細胞主要位於寄生下丘腦（parasubiculum）。內部方向細胞的活動在theta週期中左右交替，與掃掠方向高度一致。展開來說，內部方向細胞的活動在86.1%的theta週期三元組中左右交替，且與掃掠方向的絕對平均角度僅為4.4°。如果作個易於理解的比喻的話，這些內部方向細胞就像是一個指南針，告訴網格細胞和位置細胞應該朝哪個方向掃掠。
圖2. 掃描與寄生下丘腦的交替方向訊號對齊
那這種左右交替的掃掠模式有什麼用呢？研究者表示這實則是一種高效的空間取樣機制。它可以幫助動物在移動過程中動態地感知周圍的環境，即使是在它們沒有實際訪問過的地方，也能形成空間表徵，就像是一個“虛擬雷達”，不斷掃描周圍的環境，甚至能夠超前感知！
更有趣的是，研究者發現，即使是在動物睡覺的時候，這種掃掠模式仍然存在。在快速眼動睡眠（REM）階段，掃掠和內部方向訊號仍然保持左右交替的模式。這表明，這種掃掠機制不僅僅與動物的行為有關，它還是一種基本的大腦活動模式，可能與記憶的鞏固和更新密切相關。
圖3. 掃描和內部方向訊號在睡眠期間仍然存在
大腦中的掃掠模式很強大！
為了驗證左右交替的掃掠模式是否是一種高效的策略，研究者們構建了一個理想化的掃掠生成代理模型。該模型透過選擇最小化與之前掃掠重疊的方向來生成新的掃掠。
模擬結果顯示，這種左右交替的掃掠模式能夠顯著減少掃掠之間的重疊，從而更有效地覆蓋周圍空間。這意味著，大腦採用這種方式可以最大化地探索未知區域，幫助動物更好地理解周圍的環境。
圖4. 掃掠以最佳效率覆蓋附近空間
此外，研究還發現，掃掠不僅覆蓋了動物實際訪問過的位置，還能神奇地延伸到未被探索的空間！這種現象不禁讓人聯想到前文所說的“既視感”或“幻覺記憶”。
在實驗中，大鼠在“馬車輪”軌道和直線軌道任務中，腦中的掃掠方向指向了軌道兩側未被探索的空間，並且在開放場地中，掃掠甚至延伸到了場地牆壁之外的區域。這表明，即使是在未曾涉足的地方，大腦也能透過這種左右交替的掃掠機制形成空間表徵，為我們提供“本能的導航”。
圖5. 掃蕩範圍擴大到從未去過的地方
既然這種左右交替的掃掠機制如此強大，我們是否能夠主動控制它呢？
遺憾的是，研究顯示，掃掠的方向並不直接與動物的行為目標或決策過程相關。相反，它似乎是由一種內在機制自主調控的，其主要目的是最大化周圍空間的覆蓋範圍。
例如，即使動物只沿著直線路徑移動時，掃掠的方向依然會左右交替，並且這種交替模式在快速移動時更為顯著。這表明，大腦中的導航系統不僅僅響應外部環境的變化，還在內部持續最佳化對空間的感知。
小結
綜上所述，這項研究表明，大腦透過神經元的協同活動構建和更新空間認知地圖，即使在從未訪問過的位置，大腦也能透過左右交替的掃掠機制形成空間表徵，幫助我們在複雜環境中進行有效的導航和決策。這一發現不僅揭示了大腦處理空間資訊的方式，還為我們理解神秘的‘既視感’或‘幻覺記憶’提供了新的視角，即大腦可能在未實際訪問過的位置形成空間表徵，從而引發熟悉感。
其實，這種左右交替的掃掠機制和我們日常生活中許多下意識的導航行為相似，例如我們在陌生的地方會不自覺地左右張望，尋找熟悉的地標，那時，我們大腦裡的“導航員”也在不斷地左右掃視，幫助定位~
參考文獻：
Left–right-alternating theta sweeps in entorhinal–hippocampal maps of space
DOI: 10.1038/s41586-024-08527-1
撰文｜ZZN
編輯 | lcc
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