埃及果蝠:哺乳动物皮层中三维空间的表现就像一盒弹珠
功劳:史蒂夫·盖特尔/马扬视觉 在今天发表在《自然》杂志上的一项新研究中，魏茨曼科学研究所的研究人员与耶路撒冷希伯来大学的同事合作，首次揭示了大脑的“全球定位系统”是如何在哺乳动物皮层中表现三维空间的
由教授领导的研究小组
魏茨曼神经生物学系的纳丘姆·乌兰诺夫斯基惊讶地发现，这种表现方式与二维空间的表现方式有很大不同，他们推翻了几个长期存在的假设
包括人类在内的哺乳动物知道自己在空间中的位置，这要归功于海马体及其隔壁邻居内嗅皮层(位于大脑深处的区域)中的几种特殊神经元
头部方向细胞是大脑的内部指南针，它向动物指示头部的转向
当动物穿越一个特定的位置时，被认为是构建环境心理地图的定位细胞就会被激活
相比之下，网格细胞不是对一个位置做出反应，而是对多个这样的位置做出反应，它们被认为给大脑提供了某种全球定位系统
对网格细胞和大脑全球定位系统的研究获得了2014年的诺贝尔奖
然而，这些和其他研究仅仅集中在二维是如何表示的，而很少谈到三维空间的表示
为了弥合这一差距，乌兰诺夫斯基和他的同事着手阐明网格细胞在自由活动的蝙蝠中是如何在三维空间中发挥作用的
过去，当研究在二维表面上运行的啮齿动物的网格细胞时，发现它们在多个圆形区域被激活，这些区域被称为放电场，以对称的六边形图案排列——类似于毫米图形纸——平铺在表面
这种无与伦比的对称性和周期性表明，这些细胞可能参与了构成大脑全球定位系统核心的几何空间计算
网格细胞所在的内嗅皮层是阿尔茨海默病中最先受到影响的脑区，空间定向障碍是阿尔茨海默病的早期表现之一，这可能是由于网格细胞的功能障碍——以及网格细胞六边形“毫米纸”的丢失
局部秩序与全球秩序
先前的工作显示了二维空间表示中的局部和整体顺序，并且对三维空间也进行了预测
然而，新的研究发现，三维空间没有整体晶格，但确实保持了局部秩序
信用:魏茨曼科学研究所 从数学上来说，在二维空间中填充圆圈的最佳方式是六边形图案，就像蜂巢一样:这可能是动物在二维表面行走时，网格细胞的圆形放电场在大脑中以六边形网格表示的原因
因此，研究人员期望三维的活动模式是类似的对称和六边形
乌兰诺夫斯基说:“我们和许多其他研究人员假设，我们会看到六边形堆叠的球，就像杂货店里整齐地堆叠在金字塔里的橘子，或者任何其他极其有序的三维排列。”
为了验证这一假设，由博士生吉利·吉诺萨带领的研究人员与参谋科学家博士
利奥拉·拉斯(Liora Las)记录了蝙蝠的网格细胞的活动，这些蝙蝠头上装有小型移动设备，它们在一个大客厅大小的房间里飞行
不同高度的喂食点保证了每只蝙蝠每次跑完房间的大部分容积
一旦数据开始进入，研究人员发现网格细胞在对三维坐标做出反应时并不像预期的那样表现
乌兰诺夫斯基解释说:“作为他们二维活动标志的有序的全球网格已经完全消失了。”
取而代之的是，网格单元的三维激发场，在这种情况下是球形而不是圆形，就像一个装满弹珠的盒子
它们并不是完全无序的，但肯定不如三维的六边形晶格有序——因为新的排列方式允许“弹珠”有一些额外的自由度
尽管缺乏任何明显的全局秩序，但球体确实服从局部秩序，其中一个球体与其最近的邻居之间的距离保持不变
与其他长期存在的理论相比，新的理论模型最符合实验数据
为了对这种局部秩序而非全球秩序的现象提供一个机械论的解释，实验团队——吉诺萨尔、拉斯和乌兰诺夫斯基——与理论家博士合作
约翰·阿坦·阿尔贾德夫，前魏茨曼博士后研究员，现为圣地亚哥加州大学教授
海姆·索波林斯基教授
耶路撒冷希伯来大学的约拉姆·布拉克
他们共同构建了一个模型，该模型使用了从统计物理学中借用的描述粒子间相互作用的原理
该模型揭示了网格细胞的球形激发场似乎与粒子以几乎相同的方式相互作用——它们在远处时彼此“吸引”,而在太近时又被“排斥”
特别是，作用在粒子上的力的平衡可以解释保持球体彼此之间恒定的局部距离的局部秩序，同时避免任何全局晶格
与过去用于预测网格单元激发场三维组织的其他模型相比，新模型最符合实验数据
总之，令人惊讶的实验数据和理论模型提供了一种新的方式来看待三维导航的神经基础以及网格细胞在这一认知过程中发挥的作用
虽然以前的模型从二维网格中推断出类似的三维排列，但乌兰诺夫斯基和同事的工作以及他们的“弹珠盒”模型表明，事情要复杂得多
由于三维空间中没有形成周期性晶格，因此需要修正理解网格单元有趣行为的经典理论
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