網(wǎng)格細胞（網(wǎng)格細胞）

發(fā)現(xiàn)歷程

動物跟人類一般靠三種類型的細胞來認路，分別是：方向細胞、位置細胞和網(wǎng)格細胞。但人類一直尚未確定大腦中存有網(wǎng)格細胞。

網(wǎng)格細胞與位置細胞放電結(jié)構(gòu)圖的比較

2013年英國《新科學家》8月4日發(fā)布消息顯示，科學家通過一項實驗證明，在人類的內(nèi)嗅皮層外觀察到了網(wǎng)格細胞，并推測可能有一個巨大的網(wǎng)格細胞網(wǎng)絡，幫助人類形成記憶情景。

實驗探究

為了探尋人類大腦中是否確實存在網(wǎng)格細胞，美國德雷克塞爾大學的約書亞·雅各布斯和同事對14名志愿者進行了測試。這些志愿者都為治療癲癇而在大腦中植入了電極。

海馬和嗅皮層纖維投射模式圖

電腦的虛擬環(huán)境缺乏特定的視覺線索來提示物體的位置，研究人員希望志愿者能對物體的位置形成一個心理圖像，這要求被測試者使用網(wǎng)格細胞。

研究表明，單細胞有規(guī)律地進行發(fā)射，形成類似動物大腦中可見的那種三角形模式。同動物的情況一樣，這些單細胞大多數(shù)存在于內(nèi)嗅皮層和扣帶皮層中。一些細胞出現(xiàn)在同形成新的情景記憶有關(guān)的前額葉皮層上。在內(nèi)嗅皮層外觀察到了網(wǎng)格細胞，這是人類擁有網(wǎng)格細胞的首個直接證據(jù)。

主要特征

網(wǎng)格細胞的放電野與空間位置有著準確的對應關(guān)系，一個網(wǎng)格細胞只對應于一個放電野，放電野遍及實際空間環(huán)境的整個范圍，即大鼠在到達空間環(huán)境的任一網(wǎng)格節(jié)點處，都有相對應的網(wǎng)格細胞發(fā)生最大放電。

網(wǎng)格細胞的放電野相互聚集，形成一個個的節(jié)點將整個的空間環(huán)境劃分成一種規(guī)則的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖，簡稱網(wǎng)格圖。網(wǎng)格節(jié)點之間的距離是相等的（39~73 厘米，標準差為3.2 厘米），節(jié)點之間形成的角度為60°，連接各個節(jié)點，即呈現(xiàn)出等邊三角形陣型?？臻g范圍擴大時，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，節(jié)點之間的距離不變，但節(jié)點數(shù)量增多，即網(wǎng)格結(jié)構(gòu)密度不變，使放電野范圍具有無限擴大的可能。

研究意義

網(wǎng)格細胞獨特的放電特征，以及它與位置細胞之間存在的特殊聯(lián)系，都為空間記憶的神經(jīng)機制的研究提供了新的視角。關(guān)注網(wǎng)格細胞與位置細胞的交互作用、內(nèi)嗅皮層與海馬體在記憶儲存中的重要性，明確網(wǎng)格細胞的自身特性、網(wǎng)格圖的形成機制，以及網(wǎng)格圖在內(nèi)嗅皮層上所具有的地形特征，對于完善空間記憶的研究具有重要意義。

對存在認路困難的人來說，對有關(guān)神經(jīng)回路的任何發(fā)現(xiàn)都會很有幫助。在未來可以研發(fā)一些藥物或大腦刺激技術(shù)，并利用這類技術(shù)來改善網(wǎng)格細胞的活動。

記憶中作用機制

有關(guān)網(wǎng)格圖形成的理論模型目前有兩大類：第 一 類 為 局 部 神 經(jīng) 元 網(wǎng) 絡 模 型（ local network activity） 。這一模型的發(fā)展最早依據(jù)的是Rolls & Treeves 提出的理論，他認為神經(jīng)網(wǎng)絡可以有多個“吸引子”，每個“吸引子”對應于空間環(huán)境中的一個位點，通過“吸引子”之間的相互聯(lián)系來實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡對整個空間環(huán)境的編碼作用（Rolls & Treves, 1998） 。McNaughton 等人 2006年提出在生命早期，內(nèi)嗅皮層具有地圖形的神經(jīng)網(wǎng)絡，它以“教導員”的角色訓練網(wǎng)格細胞遵從Hebb 分布規(guī)律形成模塊，空間環(huán)境的“吸引子”表征也由此形成（McNaughton, Battaglia, Jensen, Moser, & Moser, 2006） 。正是依據(jù)內(nèi)嗅皮層分子排列方式的特異性，以及網(wǎng)格細胞放電參數(shù)中“間距”和“方 位”呈 現(xiàn) 的 地 圖 形 特 征， Fuhs & Touretzky 2006 年提出內(nèi)嗅皮層有大量的網(wǎng)格細胞集群，每個細胞集群具有相同的網(wǎng)格間距和方位，細胞集群中網(wǎng)格細胞位相的隨機變化，而相鄰 細 胞 集 群 間 的 位 相 又 具 有 連 續(xù) 性（ Fuhs, Touretzky, 2006） 。這一觀點很大程度上印證了MaNaughton 的假說，也解釋了網(wǎng)格細胞位相上的不規(guī)則性，細胞集群形成了不同的“吸引子”單元對空間環(huán)境進行表征（Moser, Kropff, & Moser, 2008） 。這一模型簡易、形象，將網(wǎng)格細胞放電結(jié)構(gòu)特征與神經(jīng)網(wǎng)絡的細胞排列特征進行了對應，對于深入研究網(wǎng)格細胞放電特征具有啟迪作用，然而不能有效地反映出網(wǎng)格細胞的放電機制。

第二類主要集中于 Burgess 2007 年提出的振蕩干擾模型（oscillatory interference mechanism），它是在位置細胞放電的雙向振蕩干擾模型的基礎上提出的，即將兩個不同來源的 theta 波進行疊加，呈現(xiàn)出一種相位進程（Burgess, Barry, &O’Keefe, 2007） 。當大鼠在空間環(huán)境中活動時，嗅皮層-海馬系統(tǒng)中腦電圖現(xiàn)出 8~12Hz 的 theta波振蕩。O’Keefe & Recce 于 1993 發(fā)現(xiàn)當大鼠在放電野范圍中活動時，海馬位置細胞放電呈現(xiàn)theta 波震蕩（O’Keefe & Recce, 1993） 。Hafting等人于 2006 年也發(fā)現(xiàn)了嗅皮層網(wǎng)格細胞的這種特點（Hafting, Fyhn, Moser, & Moser, 2006） 。此外，在嗅皮層-海馬系統(tǒng)中，內(nèi)嗅皮層的以下解剖和功能特征也支持這一理論模型：1）內(nèi)嗅皮層第Ⅱ?qū)雍械男菭罴毎ňW(wǎng)格細胞） ，在 theta 波頻范圍內(nèi)呈現(xiàn)出局部閾下膜電位振蕩（intrinsic sub- threshold membrane potential oscillations）特征；2）內(nèi)嗅皮層接受前下托的信息投射，獲得頭部朝向的信息。不同頭向細胞投射來的方向信息通過內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元不同樹突的 theta 波振蕩反映出來，并進行疊加整合。軀體輸入的 theta波振蕩（速度信息）與各神經(jīng)元 theta 波振蕩（方向信息）上的相位差整合過程實際是速度信息的整合過程，即此完成路徑整合過程中利用自身運動信息（方向和速度）實現(xiàn)空間記憶的編碼功能（Burgess, Barry, & O’Keefe, 2007；Hasselmo, Giocomo, & Zilli, 2007；Blair, Welday, & Kechen, 2007） 。這一模型較之雙向振蕩干擾模型更易形成三角形密布的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（Burgess, Barry, & O’Keefe, 2007） ，也從側(cè)面印證了多線性振蕩干擾模型的可靠性。軀體信息的 theta 波振蕩與各神經(jīng)元的 theta 波振蕩進行整合，經(jīng)過一個慢速調(diào)整，得到體現(xiàn)各偏愛方向的空間線形振蕩波，多個線形振蕩波在空間結(jié)構(gòu)中交叉整合，得到三角形密布的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖，且三角形之間相互成 60°，網(wǎng)格節(jié)點即為波峰重疊點，相應放電參數(shù)由神經(jīng)網(wǎng)絡的整體活動所調(diào)節(jié)。

嗅皮層網(wǎng)格圖式的放電結(jié)構(gòu)引發(fā)了廣泛關(guān)注，研究者認為網(wǎng)格細胞可能是空間定位導航系統(tǒng)的重要組成成分。在動物進行空間定向時，大腦不斷讀取運動過程中線性及非線性的自身運動信息，并利用空間中各個位點的信息進行計算和整合?；趧游镒杂梢捠郴顒拥难芯浚@一過程被稱為路徑整合（path integration, PI） ，即動物在不斷運動的過程中，時刻保持與環(huán)境中重要位置的矢量關(guān)系，且這種矢量關(guān)系不斷得到更新。這種整合為動物的內(nèi)部空間記憶提供隨時更新的位置信息，尤其是方位、間距等。此外，路徑整合具有自動性和持續(xù)性，可以使動物在空間活動的任何位置、任何時間終止或開始。在這一過程中路徑整合器發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它依賴于一種內(nèi)部作用機制，能夠在不使用外界線索的條件下實現(xiàn)路徑計算（Etienne & Jeffery, 2004） 。早前有研究發(fā)現(xiàn)海馬位置野在黑暗條件下仍然能保持，這促進了人們對空間定位系統(tǒng)中路徑整合器的探索（Leutgeb, Leutgeb, Moser, & Moser, 2005） 。然而海馬體似乎并不是路徑整合器的所在地，因為一個位置細胞可以對應于多個放電野，交錯重疊的多個放電野不能精確反映隨自身運動而不斷變化的空間位置信息（O’Keefe & Burgess, 2005; Moser, Kropff, & Moser, 2008） ；網(wǎng)格細胞被證實具有路徑整合器的功能，它與放電野的一一對應關(guān)系，以及網(wǎng)格圖式的放電結(jié)構(gòu)使得內(nèi)嗅皮層與整個空間環(huán)境之間建立了穩(wěn)定而有效地靶向關(guān)系，且能保障在空間矢量關(guān)系上發(fā)生同步變化（Hafting, Fyhn, Molden, Moser, & Moser,2005; Guanella & Verschure, 2006; Fyhn, Hafting, Treves, Moser, & Moser, 2007）。

嗅皮層-海馬回路為空間記憶的動態(tài)表征提供了有效保障。來自內(nèi)嗅皮層的空間信息和嗅周皮 層 的 非 空 間 信 息 在 海 馬 體 中 進 行 整 合（Hargreaves, Rao, Lee, & Knierim, 2005） ，當動物再次進入熟悉環(huán)境時，存儲在海馬中的空間和非空間信息激活了內(nèi)嗅皮層的路徑整合器，這一功能通過海馬與嗅皮層間的信息聯(lián)系得以實現(xiàn)（Witter & Moser, 2006）。網(wǎng)格細胞利用自身運動中的速度和方向信息，獲得適時的空間動態(tài)表征以確定動物在空間環(huán)境中的相對位置。此外，海馬傳入的反饋信息能夠調(diào)整網(wǎng)格細胞利用自身運動信息進行整合時發(fā)生的累積錯誤，確保網(wǎng)格圖的準確性和穩(wěn)定性（Fyhn, Hafting, Treves, Moser, & Moser, 2007） 。綜之，網(wǎng)格細胞利用自身運動信息進行空間編碼，在路徑整合過程中充當了路徑整合器的功能，所形成的穩(wěn)定網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對于大腦形成空間動態(tài)表征不可或缺，發(fā)揮著重要的作用。