定位运动中海马体群体动力学的不同神经特征

大脑如何在原地也能追踪运动

即便你在跑步机上跑步而始终没有离开原地，大脑仍然以某种方式记录你跑得有多快、跑了多远以及运动持续了多久。本研究考察了一个以记忆和导航著称的关键脑区——海马体——如何处理不同形式的运动，从稳定的、由外部刺激驱动的奔跑到支点式、近乎静止的动作。理解这些内部“运动编码”有助于揭示大脑如何构建我们的空间感、时间感与动作感，以及这些能力在衰老或疾病中如何受损。

对活动中大脑的细致观察

为在严格控制的环境下同时观察大量神经元，研究者让小鼠的头部被轻固定在一个简单且无动力的传送带上。背部的一阵轻气流促使动物奔跑；关闭气流则让它们自行减速或停下。在某些实验中，传送带可以自由旋转，允许小鼠完整踏步地原地奔跑；在另一些实验中，刹车锁住传送带，仅允许微小的踏脚动作。期间，通过能检测神经细胞内钙闪烁的显微镜记录了数百个海马神经元的活动，从而推断每个细胞何时活动增强或减弱。

不同类型的奔跑，不同的神经阵容

在行为层面上，气流诱发了两种明显的运动状态。在自由传送带的气流开启期间，小鼠迅速达到并维持相对较高的速度，行为上类似于人在跑步机上持续奔跑。气流停止后，它们会继续移动一段时间，然后进入更慢且不规则的自发短时活动。在锁定传送带时，相同的气流仅引起小幅的原地动作，但这些动作在气流开关期同样有所不同。研究者考察了每个海马细胞的活动与三种简单量之间的关联强度：经过的时间、覆盖的距离（或在刹车状态下的原地移动量）以及动物的速度。

刺激结束后出现的清晰、简单编码

跨越不同条件，更多的细胞在气流关闭后的自发运动期间变得活跃并与运动变量显著相关。当团队控制了气流关闭阶段时间更长这一事实后，发现气流开启的奔跑实际上动员了一个更可靠的细胞子集——但在更长的气流关闭窗口内，许多额外的神经元也参与进来。在这个活跃群体中，大多数细胞被发现是“专一型”的：它们的放电主要与单一特征（时间、距离或速度）有关，而不是三者的复杂混合。这种朝向简单、单变量调谐的倾向在气流关闭期间最为明显，表明一旦驱动刺激结束，海马网络会转入一种突出正在进行运动特定方面的工作模式。

速度先行，时间与距离随后

当研究者细看活动时序时，出现了一个显著模式。与时间或距离相关的细胞相比，与速度相关的细胞在气流开始或终止之后更早达到放电高峰。换言之，速度相关信号在启动或停止奔跑的感觉事件附近迅速爆发，而时间和距离信号则随着运动展开逐步累积。在被迫不动的情况下，细胞再次主要表现为专一型，现在要么对时间敏感，要么对微小的原地运动敏感，且原地运动信号在气流关闭后尤为突出。这表明当真实的前进运动被阻止时，海马体仍参与监测即便是很微小的尝试性动作。

个体变化却保持群体模式稳定

在单个细胞层面上，哪个神经元编码何种信息的阵容出人意料地流动：在一种配置中跟踪速度的细胞，在另一种配置中可能转而跟踪时间、距离或根本不响应。然而，当作者观察整体群体时，他们发现了有序结构。处于相同阶段（气流开启或关闭）活跃的细胞群彼此间的相似性通常高于跨阶段的群体，而且自由奔跑与刹车条件下的模式形成了不同的簇。这表明海马体在保持群体组织的稳定“骨架”同时，能灵活地在运动情境变化时重新分配单个神经元的角色。

这对我们内在运动感的意义

简而言之，该研究表明海马体并不依赖一组固定的细胞来追踪运动。相反，它会根据运动是外部驱动还是自发进行、身体是自由移动还是被约束，动态地重新权衡关于速度、时间、距离甚至细微原地动作的简单信号。速度信号在重要的感觉事件前后率先上线，而更精确的时序和距离编码则随着行为展开而出现。尽管单细胞层面不断变化，整体活动模式仍然井然有序并与行为状态紧密相关。这样一种灵活而有结构的系统，可能是我们形成将地点、移动方式与事件时间编织在一起的记忆能力的基础——即便我们从未真正离开原地。

引用: Inayat, S., McAllister, B.B., Whishaw, I.Q. et al. Distinct neural signatures of hippocampal population dynamics during locomotion-in-place. Sci Rep 16, 10372 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41049-6

关键词: 海马体, 运动, 神经编码, 群体动力学, 感觉运动整合