读创/深圳商报首席记者 吴吉

头方向细胞被认为是“大脑内部的指南针”，但科学界对头方向细胞的编码机制知之甚少。3月16日，国际学术期刊Advanced Science在线发表了中国人民解放军陆军军医大学新桥医院神经外科张生家团队的最新研究成果Sharp tuning of head direction and angular head velocity cells in the somatosensory cortex。

该研究拓展了“头方向细胞只由兴奋性神经元编码”的传统观点，也突破了“抑制性神经元编码外部感觉刺激的选择性通常较弱”的经典理论，首次在单细胞水平上揭示了窄调谐头方向细胞的神经编码机制。

不断探索“大脑高精度指南针”

经典的空间导航理论认为海马-内嗅皮层是介导大脑空间导航系统的唯一中枢。对大脑“内置GPS”进行开创性研究的三位科学家John O’Keefe, May-Britt Moser和Edvard Moser获得了2014年诺贝尔生理或医学奖。

不过，张生家团队前期研究发现，躯体感觉新皮层单个脑区中同时存在与海马-内嗅皮层神经网络中类似的多种空间导航细胞，组成了一套全新且完整的“大脑GPS”，拓展了经典的空间导航系统理论，相关研究成果于2021年发表在Cell Research上。

而头方向细胞作为大脑空间导航系统的关键组成部分之一，与空间记忆和导航密切相关。头方向细胞由一群功能特异性的神经元编码。当动物的头部指向特定方向时，头方向细胞会选择性放电，不同的头方向细胞具有不同的放电偏好方向。头方向细胞的关键功能在于在运动过程中跟踪动物的实时方位，为路径整合提供方向信息。

发现一类全新的头方向细胞

既往研究发现，头方向信息主要由兴奋性神经元编码并表现出较强的方向选择性，而抑制性神经元则表现出较弱的头方向调谐，未有文献报道抑制性神经元编码方向选择性强的头方向细胞。

张生家团队的该项研究在自由运动状态下，对大鼠的躯体感觉皮层进行长时间电生理记录，并跟踪单个头方向细胞的神经电活动，首次鉴定出躯体感觉皮层中同时存在两类头方向细胞：常规放电兴奋性神经元和快速放电抑制性神经元，其中抑制性神经元呈现簇状放电和更强方向选择性，表明快速簇状放电的抑制性神经元编码瞬时头方向具有更高的精度。

作者通过自由运动多通道电生理记录技术，当大鼠在旷场中探索环境时采集躯体感觉皮层电信号。首先，通过对动物的瞬时头方向和单个神经元的动作电位进行相关分析，甄别出特异性放电的头方向细胞。然后，通过动作电位波形和放电频率对神经元进行分类，发现躯体感觉皮层头方向细胞主要可以分为两类：宽波低频的常规放电兴奋性神经元和窄波高频的快速放电抑制性神经元，其中抑制性神经元呈现簇状放电和更强方向选择性。

拓展传统观点，突破经典理论

在该研究中作者进一步对头方向进行微分得到头部角速度，发现角速度细胞主要也具有快速放电抑制性神经元表征，并且部分头部角速度细胞显示出与头方向的联合表征。通过放电序列互相关图谱分析对单突触功能连接进行分析，发现抑制性头方向细胞与周围神经元之间存在稀疏连接。环状吸引子模型被认为是大脑产生头方向信号的机制，其所有基本组件包括头方向和头部角速度编码神经元均存在于躯体感觉皮层中，因此躯体感觉皮层单个脑区内部可以生成头方向信号。

相比于兴奋性神经元的稀疏放电特征，抑制性神经元的高频放电使得根据实时的头部方向瞬时调整放电频率成为可能，并且其编码头方向和头部角速度的精确度高于兴奋性神经元，可以准确地预测亚秒时间尺度上的方位信息。

这一研究结果拓展了头方向信息只由兴奋性神经元编码的经典理论。此外，传统观点认为抑制性神经元的功能主要在于增益控制或者改善兴奋性神经元的调谐选择性，对于感觉信息的编码通常较弱。这一研究揭示了抑制性神经元具有比兴奋性神经元更强的方向选择性，提示抑制性神经元在空间编码和计算中发挥的作用可能比传统观点认为的更广泛。

陆军军医大学新桥医院神经外科龙晓阳博士、邓斌硕士以及新西兰奥塔哥大学（University of Otago）脑健康研究中心Calvin K. Young博士为该论文的共同第一作者。同时，该研究也得到了陆军军医大学新桥医院神经外科杨辉教授和吕胜青教授，以及纽约大学（New York University）医学院Zhe Sage Chen教授的大力帮助。陆军军医大学新桥医院神经外科张生家教授为该论文的通讯作者。

审读：孙世建