雄性小鼠内嗅皮层的方向动力学受行为约束驱动

大脑如何判断自己面向哪个方向

在世界中找到路依赖于一种内在的方向感，由当动物面向特定方向时发放的脑细胞构成。本研究提出了一个看似简单的问题：这些“罗盘”细胞是固定的，还是在我们穿行世界的方式改变时可以改变它们的角色？通过观察小鼠中关键导航区域的数千个神经元，作者们揭示了大量的方向编码出人意料地具有可塑性，并且受经验塑造。

一个绘制空间的大脑区域

在大脑深处，内侧内嗅皮层作为导航枢纽的一部分发挥作用。这里存在几类专门化的细胞，包括绘制位置的格栅细胞和关注动物朝向的头向细胞。迄今为止，科学家们尚不清楚细胞作为头向细胞的“工作描述”是固定的，还是可以被重新分配。作者使用双光子钙成像监测了小鼠在方形场地探索时的11000多个神经元。在一些实验中，动物自由漫游；在另一些实验中，它们的头部被固定在一辆小型自动化小车上，由小车将它们推进相同的空间，仅改变它们移动的方式，而非它们去向的位置。

从自由漫游到被引导的乘坐

研究者首先比较了在具有丰富线索、视觉和气味地标明显的场地中，自由运动与小车驱动的“辅助导航”期间的方向信号。令人惊讶的是，当小鼠在小车上时，内嗅皮层的整体方向调谐变得更清晰、更具信息量且更稳定。但这种改善掩盖了显著的重组。一组在自由探索时清晰追踪头向的神经元在小车上失去了该调谐。第二组此前无显著特点的神经元仅在辅助导航期间获得了强烈的方向调谐。第三个较小的组在两种条件下都保持了可靠的调谐。解码分析证实，当解码器在相同的导航模式下训练并测试时，朝向的群体信号效果最佳，表明活跃细胞的模式确实发生了重构。

约束、线索与新地图

为探究促成这一切的因素，团队改变了环境和小车的运动方式。在一个剥离了大部分视觉结构的“线索匮乏”场地中，辅助导航不再增强方向编码：获得调谐的细胞更少且地图更不稳定。然而，改变小车的速度特性几乎没有影响；新的头向细胞即使在小车快慢不同的情况下仍保持相似的首选方向。这表明，促使在受限条件下招募新方向细胞的关键成分是丰富的外部感觉线索，而不是简单的运动统计。同时，不变子类的细胞在所有条件下保持协调发放，提示它们构成了方向的较为硬连线、类吸引子般的骨架。

学习第二个罗盘

作者接着询问这种辅助导航编码形成得有多快。对于首次体验小车的小鼠，方向地图的质量以及从中解码朝向的能力在仅几分钟的一次会话中稳步提高。在之后的“训练”会话中，这些指标已经很高且变化不大，表明新编码已被学习并存储。在辅助导航期间，许多头向细胞还开始携带关于动物在场地中位置信息，而不仅仅是它面向的方向。它们的空间发放场往往聚集在靠近墙的位置，并且它们的首选方向在富线索环境中比在匮乏环境中更频繁地指向最近的墙壁。这表明在行为受限时，内嗅地图通过附近的感觉地标将方向与位置联系起来。

灵活的内在罗盘

对非专业读者而言，核心信息是大脑的内在罗盘并非单一固定机制。相反，它将一小部分稳定的方向细胞与一大片可适应的细胞池相混合，这些细胞的角色可以根据动物的移动方式及其所感知到的内容发生切换。当头部运动受限但丰富的线索可用时，会招募新神经元来帮助维持可靠的方向感，并且它们很快学会将该方向感与特定位置和墙面联系起来。这项工作表明，我们的导航系统可以为同一地点存储多张地图，并选择最适合当前运动方式的一张。

引用: Liu, R., Hao, J., Zhang, X. et al. Directional dynamics in the entorhinal cortex of male mice driven by behavioral constraints. Nat Commun 17, 3679 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70289-3

关键词: 头向细胞, 内嗅皮层, 空间导航, 感觉线索, 神经可塑性