網(wǎng)格細胞 (grid cell) 主要位于大腦內嗅皮層，是哺乳動(dòng)物完成空間導航時(shí)實(shí)現自我定位的關(guān)鍵腦區之一，于2005年被首次報道。其發(fā)現者M(jìn)oser夫婦與位置細胞發(fā)現者O’keefe教授因共同揭示了大腦GPS定位系統，于2014年分享了諾貝爾生理醫學(xué)獎。網(wǎng)格細胞在空間中展現出獨特的六邊形模式表征，并平鋪整個(gè)空間（圖1A）。網(wǎng)格表征會(huì )在老年群體和多種腦疾病人群（包括阿茲海默癥和精神分裂癥）出現退化。自從網(wǎng)格細胞被發(fā)現以來(lái)，一直吸引著(zhù)心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和人工智能等不同領(lǐng)域研究者的關(guān)注。中國科學(xué)院心理研究所王亮研究組和合作者德國波鴻魯爾大學(xué)Nikolai Axmacher教授團隊在人類(lèi)網(wǎng)格表征研究領(lǐng)域取得了豐碩成果，包括揭示人類(lèi)網(wǎng)格表征在內嗅皮層和前額葉皮層的神經(jīng)振蕩基礎 (Current Biology, 2018; Science Advances, 2021)，阿茲海默癥高風(fēng)險基因攜帶者的網(wǎng)格表征退化 (Science, 2015; Science Advances, 2020)。

近日，王亮研究組和Nikolai Axmacher團隊受到Progress in Neurobiology的邀請，系統梳理了人類(lèi)網(wǎng)格表征和認知計算模型研究進(jìn)展。相關(guān)綜述論文以Grid codes underlie multiple cognitive maps in the human brain 為題，在線(xiàn)發(fā)表于該期刊。

近十年，關(guān)于網(wǎng)格細胞有兩條平行的研究主線(xiàn)正在涌現，并逐漸趨于交匯。一條主線(xiàn)是一系列人類(lèi)網(wǎng)格表征的實(shí)驗研究，有兩個(gè)獨特的特征：(1)把網(wǎng)格表征在大腦中的分布延拓到多個(gè)隸屬于默認網(wǎng)絡(luò )的腦區；(2)把網(wǎng)格表征參與加工的任務(wù)域擴展到多種非物理空間。另一條主線(xiàn)是一系列認知計算模型的提出，試圖回答網(wǎng)格細胞的認知功能，并作為主線(xiàn)一的有力理論支撐。這兩條主線(xiàn)互為補充、相輔相成，共同提示網(wǎng)格表征可能是構成參與多種高級認知功能的基礎神經(jīng)模塊之一。該論文圍繞網(wǎng)格細胞的幾個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)，包括網(wǎng)格細胞的空間調諧為什么是六邊形模式，而不是其他模式，如四邊形？大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )如何產(chǎn)生如此規則的調諧模式？和嚙齒類(lèi)動(dòng)物相比，網(wǎng)格表征在人類(lèi)大腦中有何獨特作用？論文認為，這些問(wèn)題的答案將極大幫助破解情景記憶的工作機制，有助于從全新的視角理解相關(guān)疾病的病理機制。

網(wǎng)格細胞的研究起始于嚙齒類(lèi)動(dòng)物，近20年的研究成果非常系統且豐富。該論文的第一部分簡(jiǎn)要概括動(dòng)物中網(wǎng)格細胞的關(guān)鍵研究成果，包括內嗅皮層中的微環(huán)路解析、模塊化組織特點(diǎn)、解剖分布特征以及與環(huán)境的交互特征（圖1B/C）。

圖1.?網(wǎng)格細胞的空間調諧和網(wǎng)格集群的六向調制信號

第二部分把重點(diǎn)從動(dòng)物轉向人類(lèi)，首先介紹了周期調制信號，即空間運動(dòng)方向與腦活動(dòng)的六周期調制模式，這是目前在人類(lèi)上探測網(wǎng)格信號的主流方法（圖1D/E/F）。論文梳理了人類(lèi)物理空間導航中的網(wǎng)格表征的實(shí)驗研究；把人類(lèi)網(wǎng)格從物理空間延拓到非物理空間的工作；以及大腦中分布式網(wǎng)格系統的振蕩特征(圖2)。這些研究使用不同數據模態(tài)，包括入侵性人腦單細胞記錄、局部場(chǎng)電位記錄，非入侵性腦電、腦磁和功能核磁，都特異性地在默認網(wǎng)絡(luò )相關(guān)腦區觀(guān)察到了網(wǎng)格表征。這部分研究中，抽象空間的研究尤為引人注目。一方面，研究者發(fā)現網(wǎng)格表征參與多種非物理空間的編碼，包括視覺(jué)空間、嗅覺(jué)空間、知識空間、價(jià)值空間和社交空間等；另一方面，這些數據表明，人類(lèi)內側前額葉的網(wǎng)格表征在抽象空間中似乎比內嗅皮層更強。至今，網(wǎng)格細胞仍然只在嚙齒動(dòng)物的內嗅皮層中發(fā)現。論文推測，內側前額葉的網(wǎng)格表征可能是人類(lèi)獨有的，它區別于內嗅的獨特功能還需要未來(lái)的研究探索。

圖2.?跨模態(tài)（單細胞-場(chǎng)電位-功能核磁）、跨腦區（內嗅-后頂葉-前額葉）、跨任務(wù)域（物理空間-視覺(jué)空間-概念空間）的人類(lèi)網(wǎng)格表征研究

網(wǎng)格表征為何參與多種空間的編碼？它的認知功能究竟是什么？論文的第三部分把視線(xiàn)轉到網(wǎng)格細胞的認知計算模型，并把這些模型分為四類(lèi) (圖3)。這些模型分別從不同的計算原則出發(fā)，回答六邊形編碼模式的認知優(yōu)越性以及大腦如何產(chǎn)生該模式的神經(jīng)機制。第一類(lèi)模型借助信息論的有效編碼理論，提出空間六邊形調諧和模塊化組織對位置的編解碼效能達到最優(yōu)。第二類(lèi)模型從降維角度出發(fā)，提出網(wǎng)格表征是對海馬位置細胞表征的主成分降維表示，從而有效壓縮空間的表征。第三類(lèi)模型是第二類(lèi)模型的逆向重構，提出基于主成分重建認知地圖，網(wǎng)格細胞可以幫助產(chǎn)生不同類(lèi)型的序列模式，包括高斯運動(dòng)和列維運動(dòng)。這些序列模式廣泛存在于動(dòng)物探索環(huán)境過(guò)程中，被認為和最優(yōu)搜索行為相關(guān)。最后一類(lèi)模型發(fā)現,網(wǎng)格表征能夠從完成關(guān)系推理的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中自發(fā)產(chǎn)生，從而提出它是知識表示、關(guān)系構建的基礎。

圖3.?網(wǎng)格細胞的四類(lèi)認知計算模型

第四部分簡(jiǎn)要說(shuō)明網(wǎng)格研究的臨床轉化和對人工智能的啟發(fā)，并給出未來(lái)需要關(guān)注的重要研究問(wèn)題。最后，作者引用David Marr的名言——“只有研究空氣動(dòng)力學(xué)才能理解鳥(niǎo)的飛行，而不是去肢解它的翅膀”，認為整合網(wǎng)格表征的模型研究和實(shí)驗研究為腦科學(xué)跨領(lǐng)域合作提供了一個(gè)典型案例，呼吁從事計算神經(jīng)方向和認知心理實(shí)驗方向的研究者密切交流，助力破解人類(lèi)心智的奧秘。

論文第一作者是心理所助理研究員陳棟，通訊作者是王亮研究員，作者還包括德國波鴻魯爾大學(xué)的Nikolai Axmacher教授。論文寫(xiě)作過(guò)程中得到了呂鵬程、劉若冰、魯萍萍，以及劉佳麗博士（已畢業(yè)）的大力幫助。

該研究得到了科技部科技創(chuàng )新2030“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”項目（2022ZD0205000）、國家自然科學(xué)基金項目（32020103009, 32200861）、中國科學(xué)院心理研究所“揭榜掛帥”項目（E2CX4215CX）、中國科學(xué)院特別研究助理項目的支持。論文已在線(xiàn)發(fā)表于Progress in Neurobiology。?

論文信息：

Chen, D., Axmacher, N., Wang, L., 2024. Grid codes underlie multiple cognitive maps in the human brain. Progress in Neurobiology. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2024.102569