人們很早就知道，大腦中被稱為海馬體的區(qū)域?qū)τ谟洃洝W(xué)習(xí)和導(dǎo)航非常重要。由神經(jīng)物理學(xué)家MayankMehta博士領(lǐng)導(dǎo)的加州大學(xué)洛杉磯分校實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們現(xiàn)在對(duì)海馬體如何在電路層面上工作(數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元參與其功能)有了更深入的了解。加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員在虛擬現(xiàn)實(shí)迷宮中研究了老鼠，在觀察每只動(dòng)物海馬體中大量單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了揭示特定導(dǎo)航機(jī)制的神經(jīng)元反應(yīng)。
他們認(rèn)為，這一知識(shí)可能是開發(fā)阿爾茨海默病、精神分裂癥和癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療方法的重要一步，所有這些疾病都與海馬體功能障礙有關(guān)。這項(xiàng)研究還可以幫助解釋為什么海馬體受損的人不僅難以完成所謂的空間任務(wù)，例如找到回家的路或找到一組丟失的鑰匙，而且還難以完成記憶任務(wù)，例如回憶午餐吃了什么或者他們是否服用日常藥物。
“海馬體是最早受到阿爾茨海默氏癥等記憶疾病影響的區(qū)域之一，”該研究的主要作者、前加州大學(xué)洛杉磯分校博士后學(xué)者賈森·摩爾博士說，他目前在紐約大學(xué)工作。“因此了解其功能、靈活性和局限性至關(guān)重要。”
梅塔和同事在《自然》雜志上發(fā)表了一篇題為“連接海馬多重調(diào)節(jié)、赫布可塑性和導(dǎo)航”的論文，報(bào)告了他們對(duì)嚙齒動(dòng)物的研究。
梅塔實(shí)驗(yàn)室和其他地方過去25年的研究表明，神經(jīng)元活動(dòng)(或神經(jīng)可塑性)的變化是通過稱為赫布學(xué)習(xí)的過程發(fā)生的。這個(gè)過程是由一種叫做NMDA的神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)介導(dǎo)的，它是治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的藥物的常見靶點(diǎn)。事實(shí)上，赫布突觸可塑性是該團(tuán)隊(duì)在論文中提到的“海馬功能的支柱之一，另外還有空間導(dǎo)航和空間選擇性。”海馬體也被認(rèn)為與情景記憶有關(guān)，但是，作者指出，“這四種功能之間的精確聯(lián)系缺失。”
在他們新報(bào)告的進(jìn)一步研究海馬體神經(jīng)元活動(dòng)的研究中，研究人員使用了梅塔實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。“......我們訓(xùn)練四只成年老鼠執(zhí)行類似于莫里斯水迷宮的虛擬導(dǎo)航任務(wù)(VNT)，并測(cè)量海馬神經(jīng)反應(yīng)及其依賴于經(jīng)驗(yàn)的可塑性，”該團(tuán)隊(duì)解釋道。這項(xiàng)技術(shù)旨在讓動(dòng)物保持舒適，并避免引起其他VR系統(tǒng)可能引發(fā)的頭暈和其他癥狀。
測(cè)試大鼠被放置在一個(gè)盒子內(nèi)的小型跑步機(jī)上，盒子的墻壁上投射有迷宮的圖像。鼓勵(lì)老鼠穿過迷宮尋找獎(jiǎng)勵(lì)，一滴糖水。為了獲得獎(jiǎng)勵(lì)，老鼠需要辨別它們相對(duì)于周圍虛擬物體的位置，它們需要去哪里才能獲得獎(jiǎng)勵(lì)，以及目的地有多遠(yuǎn)。研究人員進(jìn)一步指出：“虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)完全消除了非特異性線索和人為干預(yù)，并確保僅使用遠(yuǎn)端視覺線索進(jìn)行導(dǎo)航，這是認(rèn)知繪圖的基本特征。”“與大多數(shù)地方細(xì)胞實(shí)驗(yàn)類似，食欲強(qiáng)化允許老鼠進(jìn)行許多試驗(yàn)，并消除在水迷宮中經(jīng)歷的可能損害突觸可塑性的壓力。”
對(duì)幾只動(dòng)物進(jìn)行了多次測(cè)試，使研究人員能夠觀察當(dāng)老鼠學(xué)會(huì)穿越迷宮時(shí)，它們的神經(jīng)元反應(yīng)如何變化。他們表示：“該任務(wù)基于試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)使我們能夠探索行為相關(guān)事件和測(cè)量序列的神經(jīng)編碼，例如運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和方向、行駛的距離以及預(yù)期的獎(jiǎng)勵(lì)位置。”
科學(xué)家們觀察到，海馬神經(jīng)元編碼了動(dòng)物位置的多個(gè)方面——它在空間中的位置、它的身體相對(duì)于它的獎(jiǎng)勵(lì)的角度，以及它沿著路徑移動(dòng)了多遠(yuǎn)——這種現(xiàn)象稱為多路復(fù)用。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為海馬體中的神經(jīng)元只編碼位置。“值得注意的是，同一個(gè)細(xì)胞可以多重并代表所有三個(gè)變量：同心空間、角度和路徑距離，”該團(tuán)隊(duì)指出。“這支持了這樣的假設(shè)：海馬體學(xué)習(xí)一種模式，涉及空間和非空間成分，以實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航。”
“我們發(fā)現(xiàn)，在虛擬迷宮中，神經(jīng)元攜帶的關(guān)于老鼠位置的信息非常少，”加州大學(xué)洛杉磯分校神經(jīng)學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和物理學(xué)教授梅塔說。“相反，大多數(shù)神經(jīng)元編碼導(dǎo)航的其他方面，例如行駛距離和身體前進(jìn)的方向。”正如該團(tuán)隊(duì)在報(bào)告中評(píng)論的那樣，“因此，不僅神經(jīng)元集合，而且單個(gè)神經(jīng)元都可以提供有關(guān)整個(gè)體驗(yàn)期間發(fā)生的‘事情’的信息。”
科學(xué)家們還觀察到，隨著老鼠在迷宮中獲得經(jīng)驗(yàn)，它們的神經(jīng)元會(huì)更加可靠和準(zhǔn)確地“記住”迷宮。“神經(jīng)活動(dòng)和調(diào)節(jié)的強(qiáng)度與表現(xiàn)密切相關(guān)，時(shí)間關(guān)系表明神經(jīng)反應(yīng)影響行為，反之亦然……值得注意的是，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的神經(jīng)可塑性比更簡(jiǎn)單的現(xiàn)實(shí)世界迷宮中要大得多，”梅塔說。“此外，這種增強(qiáng)的神經(jīng)可塑性與表現(xiàn)有關(guān)。”
梅塔補(bǔ)充說，在老鼠身上觀察到的神經(jīng)可塑性很可能是由于赫布學(xué)習(xí)數(shù)十億個(gè)突觸造成的。當(dāng)研究人員給動(dòng)物注射抑制NMDA的物質(zhì)時(shí)，這一結(jié)論得到了進(jìn)一步證實(shí)，這會(huì)損害它們?cè)诿詫m中的表現(xiàn)。
在未來的研究中，梅塔和他的同事旨在對(duì)老鼠和有記憶障礙的人類進(jìn)行類似的研究，以測(cè)試虛擬現(xiàn)實(shí)是否可以用于早期診斷并評(píng)估藥物的有效性。正如他們?cè)谡撐闹锌偨Y(jié)的那樣，“這些結(jié)果開啟了在幾乎相同、非侵入性和非厭惡性條件下使用VR來測(cè)試嚙齒動(dòng)物和人類的可能性，以診斷學(xué)習(xí)和記憶障礙，并實(shí)現(xiàn)跨物種治療的有效轉(zhuǎn)化。”
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